Natürliche Killerzellen: Von der Entdeckung bis zur klinischen Anwendung

Die Entdeckung von NK-Zellen

Es war im Jahr 1975: Forscher um Rolf Kiessling vom Karolinska Institut in Schweden [1] und um Ron Hebermann vom National Cancer Institute (NCI), USA [2] beschrieben zum ersten Mal „Natürliche Killerzellen“ beziehungsweise eine „Natürliche Zytotoxische Reaktivität von Maus Splenozyten“. Diese Zellen konnten innerhalb von kurzer Zeit, und zwar in 1–4 Stunden, Zellen, die durch das Monoley Leukämievirus transformiert waren, abtöten und unterschieden sich dadurch von zuvor beschriebenen Immunzellen. Auch in Deutschland machte Hans-Hartmut Peter, ehemaliger Präsident der DGfI, ähnliche Entdeckungen [3]. Lösliche Tötungsfaktoren waren nicht beteiligt. Die beschriebenen Zellen waren keine T-Lymphozyten oder Makrophagen, sondern Zellen bislang unbekannter Natur. Damit war der Grundstein der NK-Zell-Erforschung gelegt (Abbildung 1).

Die „missing-self“-Hypothese

Nachdem man die NK-Zellen zunächst nur über ihre zytotoxische Funktion entdeckt hatte, mussten die Zellen molekular beschrieben werden. NK-Zellen können beim Menschen durch das Vorhandensein des Markers CD56 und das Fehlen von CD3 auf der Zelloberfläche charakterisiert werden. Zusätzlich wurde NKp46 als Zelloberflächenmolekül beschrieben, das bei vielen Spezies spezifisch auf NK-Zellen zu finden ist [4]. Im Gegensatz zu T-Zellen haben NK-Zellen keinen spezifischen Antigenrezeptor und können daher in Mäusen ohne RAG-2-Rekombinase entstehen. Aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit wurden sie dem angeborenen Immunsystem zugeordnet. NK-Zellen sind im peripheren Blut zu 10–15 % der Lymphozyten und in Organen zu finden und zirkulieren wie eine Kontrollpolizei durch den Organismus, um ungesunde, infizierte und entartete Zellen aufzuspüren und zu eliminieren. Wie erkennen NK-Zellen diese zu beseitigenden Zellen im menschlichen Körper? Im Jahr 1981 präsentierte Klas Kärre vom Karolinska Institut zum ersten Mal die „missing-self“-Hypothese in seiner Doktorarbeit. Die Idee zu diesem Konzept kam Kärre beim Schreiben der Einleitung: Er bemerkte, dass es schwierig war, die Charakteristika zu beschreiben, die Zielzellen abtötbar machten. Einfacher hingegen war es, Eigenschaften von Zielzellen zu identifizieren, die gegen die Zerstörung durch NK-Zellen resistent machten. Kärre ließ sich durch zwei Gedankenspiele inspirieren: Erstens gab es damals Hinweise darauf, dass die Fusion von Kolonien von Manteltieren durch ein inhibitorisches Signal gesteuert wird. Zweitens wollte sich die schwedische Marine während des kalten Krieges der Hilfe von Fischerbooten bedienen, um fremde U-Boote zu orten. Um die Erkennung zu erleichtern, gab man den Fischern Bilder der wenigen eigenen U-Boot-Klassen mit der Aufforderung, nur dann ein Boot zu melden, wenn es nicht so aussah wie die abgebildeten. Die Charakteristika der eigenen U-Boote dienten also als ein inhibitorisches Signal [5]. Kärre postulierte nun in seiner „missing-self“-Hypothese, dass Zielzellen, die Eigenschaften von gesunden körpereigenen Zellen aufweisen, von NK-Zellen nicht eliminiert werden können – NK-Zellen also inhibiert werden. Fehlt diese Eigenschaft, sind die Zielzellen zum Abtöten freigegeben. Diese Eigenschaft ist die Expression des Hauptgewebeverträglichkeitskomplex (Major Histocompatibility complex (MHC)) Klasse I, der normalerweise auf der Oberfläche von gesunden Zellen zu finden ist. Damit unterscheiden sich NK-Zellen grundsätzlich von T-Zellen, die durch MHC Klasse I nicht inhibiert, sondern aktiviert werden. Das Schlüsselexperiment war folgendes: Kärre und seine Kollegen selektionierten eine Variante der Moloney-Leukämie-Zelllinie RMA, die kein MHC Klasse I aufwies und als RMAS-Zelllinie bezeichnet wurde. Die Wissenschaftler konnten im Mausmodell nachweisen, dass NK-Zellen zur Abstoßung von MHC-Klasse-I-defizienten RMAS-Zellen führen, während RMA-Zellen, die MHC Klasse I aufweisen, nicht angegriffen wurden. Diese Arbeiten wurden 1986 im Journal Nature publiziert [6]. Später wurden die dafür verantwortlichen inhibitorischen Rezeptoren identifiziert, die im Menschen zur KIR-Familie und in der Maus zur Ly49-Familie zählen [7, 8]. Forschungen der folgenden Jahre zeigten, dass NK-Zellen nicht nur in der zytotoxischen Zell-Antwort gegen Tumore wichtig,  sondern auch gegen Viren aktiv sind. 1989 beschrieb Christine Biron einen Immundefekt, der durch eine geringe NK-Zellanzahl und durch wiederkehrende Herpes-Infektionen gekennzeichnet war [9]. Dadurch wurde eine wichtige Rolle von NK-Zellen in der viralen Immunantwort postuliert und das Interesse der Erforschung von NK-Zellen im Zusammenhang mit Viren, insbesondere mit Zytomegalieviren, begründet.

Die Entdeckung aktivierender NK-Zell-Rezeptoren und deren Liganden

Allerdings blieben nach der Entdeckung der hemmenden Rezeptoren noch viele Fragen offen. Es war weiterhin  unklar, ob NK-Zellen ständig aktiv sind und ihre Aktivität nur durch inhibierende Rezeptoren reguliert wird, oder ob es spezielle Rezeptoren gibt, die die NK-Zell-Aktivität stimulieren. Letzteres war der Fall und nach der Entdeckung von CD16 [10], einem aktivierenden Rezeptor auf NK-Zellen, der Fc-Teile von Immunglobulinen erkennt, wurden weitere aktivierende Rezeptoren beschrieben. Ausschlaggebend war die Entdeckung der Adaptermoleküle DAP10 und DAP12, die die Oberflächenexpression bestimmter Rezeptoren ermöglichen. Einer dieser Rezeptoren ist NKG2D, der MHC-Klasse-I ähnliche Liganden, MICA und ULBPs im Humansystem und RAE-Moleküle [11, 12] in der Maus erkennt. Diese Liganden werden durch Zellstress-Signale wie DNA-Schädigung, Transformation oder virale Infektion auf der Zelloberfläche sichtbar. Wenn gleichzeitig hemmende Liganden verschwinden, kann diese Zielzelle von NK-Zellen erkannt und abgetötet werden. Daraus ergibt sich, dass die NK-Aktivität durch eine Balance aus hemmenden und aktivierenden Signalen kontrolliert wird (Abbildung 2). 

In der Folge wurden viele aktivierende Rezeptoren wie z. B. NKp46, NKp44, NKp30 [13], DNAM-1 [14] und Rezeptoren der SLAM-Familie [15] beschrieben. Die Erkennungsstrukturen einiger dieser Rezeptoren auf Tumorzellen sind noch immer unbekannt. Zusammenfassend bedienen sich NK-Zellen eines anderen Mechanismus als T-Lymphozyten, um z. B. Tumorzellen zu erkennen. NK-Zellen integrieren demokratisch viele Signale, die deren Aktivität kontrollieren. Im Gegensatz dazu reagieren T-Zellen primär mit ihrem T-Zell-Rezeptor und andere Signale ordnen sich hierarchisch unter. 

NK-Zell-„Education”

Nach der Entdeckung aktivierender und inhibitorischer Rezeptoren musste die Frage geklärt werden, wie NK-Zellen lernen, gesunde Zellen von ungesunden zu unterscheiden. T-Zellen tun dies im Thymus mittels positiver und negativer Selektion, doch die NK-Zell-„Erziehung“ wurde lange Zeit kontrovers diskutiert. Schließlich wurde beobachtet, dass nur in einem Organismus, der MHC-Klasse-I-Moleküle exprimiert, NK-Zellen dazu erzogen werden können, körperfremde Zellen anzugreifen. NK-Zellen werden also durch das Vorhandensein von MHC-Klasse-I-Molekülen bewaffnet bzw. zum Töten lizensiert [16].

Nomenklatur der Innaten Lymphoiden Zellen

Nach diesen grundlegenden Entdeckungen begannen Wissenschaftler, NK-Zellen nicht nur im peripheren Blut, sondern auch in verschiedenen Organen bei Maus und Mensch zu analysieren. Diese Studien führten dazu, dass sogenannte Innate Lymphoide Zellen (ILC) identifiziert wurden, die gewebeständig sind und einige Marker mit NK-Zellen wie NKp46 teilen. Eine der Hauptfunktionen der ILC scheint die Produktion von Botenstoffen (Zytokinen) zu sein und sie werden entsprechend der Zytokinmuster in ILC1, -2 und -3 eingeteilt. Nachdem man die NK-Zellen zunächst in die sogenannte Gruppe 1 der ILCs eingegliedert hatte, wurde 2018 eine neue Nomenklatur verabschiedet, in der NK-Zellen als eine eigene Untergruppe der Innaten Lymphoiden Zellen abgegrenzt werden. ILCs orchestrieren Immunantworten gegen eindringende Pathogene in Organen wie in Darm, Lunge und Leber und sind zur Zytokinproduktion und nicht primär zur zytotoxischen Antwort befähigt. Die ILCs wurden erstmals bei einer Konferenz des NK-Zell-Arbeitskreis der DGfI in Bad Herrenalb 2008 vorgestellt, kurz darauf publiziert und seitdem weiter erforscht [17]. 2016 richtete die DFG ein Schwerpunktprogramm, SPP1937, zur Erforschung dieser Zellen ein.

NK-Zellen in der Krebstherapie

Die Eigenschaft von NK-Zellen, maligne Zielzellen zu erkennen und abzutöten, wurde bereits früh in der Krebsimmuntherapie genutzt. Damals gab es erste klinische Versuche, in denen entweder direkt rekombinantes IL-2 (Interleukin-2) in hohen Dosen injiziert oder sogenannte LAK (Lymphokin-aktivierte Killerzellen) infundiert wurden, deren zytotoxische Aktivität den NK-Zellen zugeschrieben wurde [18, 19]. Infusionen von expandierten LAK-Zellen zeigten nur wenige Erfolge, die aus heutiger Sicht wahrscheinlich den undefinierten Expansions-, Spender- und Studienbedingungen zugeschrieben werden können. Allerdings zeigten NK-Zell-basierte Therapien bei AML-Patienten erste Erfolge. In 2002 publizierten Wissenschaftler um Andrea Velardi [20], dass bei AML(Akute Myeloische Leukämie)-Patienten, die eine Knochenmarkstransplantation bekamen, diejenigen Patienten weniger Rezidive zeigten, deren Knochenmark von Spendern stammte, deren NK-Zellen nicht durch das MHC-Klasse-I-Molekül der Empfänger inhibiert werden konnten. Dadurch war der Grundstein der modernen NK-Zelltherapie gelegt. Infusionen mit haploidentischen NK-Zellen zeigten bei Leukämien, insbesondere bei AML-Patienten, erste Erfolge. Bi(tri)-spezifische Antikörper, die eine Brücke zwischen NK-Zelle und Tumorzelle bilden und dadurch das Tötungspotential erhöhen, werden mit Erfolg angewandt. Antikörper, die die inhibitorischen Oberflächenmoleküle auf NK-Zellen blockieren, werden in ersten klinischen Studien erprobt. Hier zeigt insbesondere ein Antikörper, anti-NKG2A, vielversprechende Ergebnisse in Kombination mit erprobten sogenannten „Checkpoint-Inhibitoren“ [21]. Zusätzlich werden NK-Zell-aktivierende Zytokine (IL2, IL15, IL12) verabreicht, um NK-Zellen in den Patienten zu stärken. In den letzten Jahren wurde daran gearbeitet, NK-Zellen mittels sogenannter Chimärer Antigen-Rezeptoren (CARs) genetisch zu verändern, um sie direkt an Tumorzellen anzudocken und das Aktivierungspotential zu verstärken. Klinische Studien mit diesen CAR-NK-Zellen, die im Gegensatz zu T-Zellen auch von Fremdspendern als sogenannte „off the shelf“-Produkte eingesetzt werden können, sind sehr vielversprechend [22]. Bislang sind nach NK-Zell-Infusion keine schwerwiegenden Gewebeschäden oder andere Nebenwirkungen berichtet worden.

Perspektiven

Seit der ersten Beschreibung der NK-Zellen in 1975 konnten wir nicht nur bahnbrechende Erkenntnisse bezüglich der NK-Zell-Biologie, der Heterogenität Innater Lymphozyten und deren Entwicklung gewinnen, sondern auch erste Erfolge in klinischen Studien der NK-Zell-basierten Therapie erzielen. Es bleiben allerdings noch viele offene Fragen: Wie können NK-Zellen in der Bekämpfung viraler Erkrankungen zielgerichtet eingesetzt werden? Welche Viren können effizient durch NK-Zellen abgewehrt werden, und können diese Erkennungsprinzipien bei Vakzinierungen genutzt werden? Können NK-Zellen bei der Therapie solider Tumor erfolgreich eingesetzt werden? Welche Kombinationstherapien können das Anti-Tumor-Potential von NK-Zellen weiter unterstützen? Wie können Immunreaktionen in Geweben durch Innate Lymphozyten gesteuert werden und wie interagieren sie mit anderen Immun- und Gewebezellen? Im Vergleich zu der T-Zellforschung ist die NK-Zellforschung ein junges Gebiet mit vielen noch offenen Fragen. Wir hoffen, gemeinsam mit unserem Arbeitskreis „NK-Zelle“ der DGfI und darüber hinaus weiterhin einen Beitrag zur Beantwortung dieser spannenden Fragen leisten zu können, damit NK-Zellen bei der Krankheitsbekämpfung gezielt eingesetzt werden können.