Es war einmal.. .. eine Zelle und sie wurde nimmermehr gesehen?

Essay
therapeutischen Antikörper sind Proteine
mit hoher oder sogar vollständiger Homologie
zu menschlichen Immunglobulinen
– also im Gegensatz zum typischen,
chemisch synthetisierten Wirkstoff etwas,
das unserem Körper nicht fremd ist. Nebenwirkungen
werden deshalb meist nur
durch die spezifischen
Bindungseigenschaften
des
jeweilig verwendeten
Antikörpers
ausgelöst. Toxizität
aufgrund der
Grundstruktur, wie
sie bei jedem neuen
chemisch synthetisierten Wirkstoffkandidaten
unvorhersagbar auftreten kann, ist
deshalb weniger zu erwarten.
Letztendlich entscheidend für ihren Erfolg
ist aber vor allem der grundlegende
molekulare Aufbau von Immunglobulinen.
Therapeutische Antikörper wirken
typischerweise entweder durch „Umprogrammieren“
der Immunantwort gegen
Krebs, oder durch hochspezifische Neutralisierung
eines einzelnen Proteins (wie
zum Beispiel bei den TNF-Antagonisten).
Beide Effekte werden erst möglich durch
die spezielle Fähigkeit der Antikörper, mit
fantastischer Spezifität ein bestimmtes
körperfremdes Molekül inmitten hoher
Konzentrationen zehntausender anderer
körpereigener Proteine zu erkennen und
hochaffin zu binden. Genau dafür wurde
die Struktur der Antikörper in Jahrmillionen
natürlicher Evolution optimiert. Zur
Herstellung von Milliarden unterschiedlicher
Antikörper reicht unserem Immunsystem
dabei eine clevere Kombinatorik
von rund 150 verschiedenen Gen-Stücken
plus ein wenig Gen-Neusynthese. Den Rest
übernimmt eine Mini-Evolution in unserem
Körper: Selektion und Mutation führen
letztlich zu Überleben und Wachstum der
B-Zellen, welche die benötigten Antikörper
sekretieren. Ein unglaublich eleganter und
effektiver Vorgang!
Aber erst hundert Jahre nach von
Behrings Entdeckung gelang spezifischen
Antikörperpräparaten endlich der breite
Durchbruch (Dübel & Reichert, 2014).
Wachsendes Verständnis für die natürlichen
Mechanismen der Antikörpererzeugung
zusammen mit enormen Fortschritten in
der Gentechnologie erlaubten es erstmals,
menschliche Antikörper gezielt zu gewinnen.
Der Schlüssel zum Erfolg dabei war,
dass es gelang, maßgebliche Mechanismen
der Antikörper-Immunantwort außerhalb
des menschlichen Körpers zu imitieren.
Die ersten klinisch erfolgreichen monoklonalen
therapeutischen Antikörper nutzen
„Eine einzige Klasse von Molekülen
hat alles andere, von Aspirin
bis Antibiotika, in Bezug auf
den Umsatz auf die Plätze verwiesen.
Wie war das möglich?“
dazu zunächst noch die Hybridom-Technologie
von Köhler und Milstein (1975)
zur Erzeugung von Maus-Antikörpern gewünschter
Spezifität. Die Antikörper-DNA
dieser Hybridome wurde dann kloniert,
wobei mit gentechnologischen Mitteln
möglichst große Teile der Maus-Sequenzen
durch menschliche
Aminosäureabfolgen
ersetzt wurden.
Solche „chimären“
oder „humanisierten“
Antikörper enthalten
immer noch
Maus-Sequenzanteile,
insbesondere
im Bereich der direkten Kontaktstellen
zum Antigen. Diese Mausanteile waren
nun aber so gering, dass die Verträglichkeit
entscheidend verbessert werden konnte
und die erste große Welle erfolgreicher
Medikamentzulassungen gelang (Dübel &
Reichert, 2014).
Die nächste bahnbrechende Erfindung
war das Antikörper-Phagendisplay. Damit
gelang erstmals die Erzeugung komplett
menschlicher Antikörper außerhalb des
Körpers – sogar ohne jede Immunisierung.
Die Methode wurde 1990 parallel von Frank
Breitling und mir in Heidelberg, Carlos Barbas
in San Diego und John McCafferty und
David Chiswell in Cambridge auf Basis der
Arbeiten von George P. Smith entwickelt.
Dabei wird als erster Schritt das natürliche
Gen-Repertoire menschlicher Antikörper
in E. coli kloniert – also eine Gen bibliothek
(„Library“) aller menschlicher Antikörpersequenzen
hergestellt. Dieser erste Schritt
ist technisch keinesfalls trivial: Die besten
„universellen“, also für die Erzeugung
von Antikörpern gegen beliebige Antigene
geeigneten Libraries enthalten heute
mehr als zehn Milliarden verschiedener
Einzelklone (Kügler
et al, 2015). Die notwendige
Diversität
liegt also viele Größenordnungen
über
der üblichen Größe
von cDNA-Genbibliotheken.
Antikörper-Libraries
sind damit mit weitem Abstand
die komplexesten Genbibliotheken.
Im zweiten Schritt muss aus dieser
riesigen Vielfalt an Strukturen der eine,
richtige Antikörper selektiert werden. Dies
ermöglicht das Phagendisplay. Dazu wird
jeder Antikörper der Library an die Oberfläche
eines Bakteriophagen gekoppelt,
welcher in seinem Inneren genau die DNA
enthält, die diesen speziellen Antikörper
kodiert. Wird nun ein solcher Antikörperphage
durch Bindung an sein Antigen aus
„Die Vision, Antikörper gegen
das gesamte menschliche Proteom
herzustellen, wäre technisch
bereits heute umsatzbar.“
den Milliarden anderer Antikörper der
Library angereichert, erhält man so auch
gleich die entsprechende DNA, da der
Antikörper ja in Form des Phagen seinen
eigenen genetischen Bauplan huckepack
trägt (Breitling et al, 1991).
Der erste mit Hilfe von Antikörper-Phagendisplay
erzeugte therapeutische Antikörper
wurde 2002 zugelassen und ist
seit 2012 das umsatzstärkste Medikament
weltweit: das bereits erwähnte Arthritis-Präparat
Humira (Ecker et al., 2015).
Wenige Jahre nach der Erfindung des Phagendisplays
wurde noch ein zweiter Weg
zur Erzeugung menschlicher Antikörper
gefunden: transgene Mäuse, deren eigene
Antikörpergene durch das menschliche
IgG-Genrepertoire ersetzt worden waren.
Nach Immunisierung konnten sie deshalb
Antikörper mit menschlicher Ursprungsequenz
bilden. 2007 wurde der erste Antikörper
aus s olch einer Maus als Medikament
zugelassen (Panitumumab, Handelsname
Vectibix). Transgene Tiere mit
menschlichen IgG-Genen sind heute neben
dem Phagendisplay die zweite maßgebliche
Quelle für neue humane therapeutische
Antikörper (Lonberg, 2005).
Leider war die Nutzung von Antikörper-Phagendisplay
und der Human-IgG-Mäuse
für Diagnostik und Forschung
aufgrund eines Dschungels aus
Patenten lange behindert. Deshalb werden
rekombinante Antikörper erst jetzt nach
und nach auch für „nicht-hochpreisige“ Anwendungen
verfügbar. Erste Antikörper aus
unseren und anderen Phagendisplay-Libraries
sind mittlerweile als Forschungsreagenzien
per Katalog bestellbar. Dazu haben
auch zahlreiche Forschungsprojekte beigetragen,
welche sich mit der Optimierung
der In-vitro-Selektion rekombinanter Antikörper
für den Hochdurchsatz beschäftigten,
zum Beispiel
durch Miniaturisierung
und Automatisierung.
Die Vision
von internationalen
Forschungsverbünden
wie etwa Affinomics,
Antikörper
gegen das gesamte menschliche Proteom
herzustellen, wäre deshalb technisch
bereits heute umsetzbar und somit nur
noch eine Frage der Finanzierung. Nicht
zu vergessen sei dabei auch, dass der enorme
Hunger der Forscher auf die hochspezifischen
Nachweisreagenzien mithilfe
des Antikörper-Phagendisplays erstmals
komplett versuchstierfrei befriedigt werden
kann. Auch die besonderen Vorteile
der In-vitro-Selektion, welche eine gezielte
Steuerung biochemischer Eigenschaften
Laborjournal
7-8/2016
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