Strahlenimmunbiologie – das neue immunmodulierende Bild von Strahlung

Die Entdeckung und Anwendung von Röntgenstrahlung

1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen die Röntgenstrahlung und nannte sie „X“-Strahlen. Die ersten von ihm gefertigten Röntgenbilder lösten Begeisterung in der Gesellschaft aus und die Röntgendiagnostik in der Medizin war geboren. Bereits ein Jahr nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung wurde ionisierende Strahlung zur Therapie von nicht-malignen (sog. „gutartigen“) Erkrankungen eingesetzt und 1899 erstmals für die Bestrahlung von Oberflächentumoren. Schnell erkannte man aber auch, dass neben den gewünschten tumorvernichtenden Wirkungen auch Nebenwirkungen im Normalgewebe auftraten, die zur Tumorentstehung führen können.

Die DNA als strahlensensible Struktur der Zelle

Bei der Entschlüsselung der Doppelhelix-Struktur der DNA im Jahr 1953 durch die Molekularbiologen James Watson und Francis Crick ging man noch davon aus, dass die DNA absolut stabil und unveränderlich ist. Dieses Bild änderte sich Anfang der 1970er-Jahre, als am Karolinska Institut in Stockholm herausgefunden wurde, dass die DNA sehr wohl anfällig für Schäden ist, diese aber meist effizient wieder repariert werden. Sind diese Schäden, die etwa durch Röntgenstrahlen in der Strahlentherapie von Tumorerkrankungen erzeugt werden, allerdings zu groß und komplex, so werden sie nicht mehr korrekt oder gar nicht mehr repariert und die bestrahlte Zelle mutiert oder stirbt. Man ging sehr lange davon aus, dass die Röntgenstrahlung entweder direkt oder indirekt durch die Bildung von reaktiven Sauerstoffradikalen (reactive oxygen species, ROS) nur auf die strahlensensible DNA in der Zelle einwirkt und keine weiteren Strukturen betroffen sind. Dieses Bild hat sich allerdings in den letzten zwei Jahrzehnten stark verändert und heute ist klar, dass neben den sogenannten „gezielten lokalen Effekten“ der Strahlung auf die DNA zahlreiche sogenannte „nicht-gezielte Effekte“ auftreten, zum Beispiel allgemeine Stressantworten der bestrahlten Zellen, die sich dann auch auf weitere Zellen und sogar den ganzen Organismus übertragen können [1].

Veränderung des immunologischen Phänotyps von bestrahlten Zellen und der abskopale Effekt der Strahlentherapie

Strahlungsinduzierter oxidativer Stress und DNA-Schäden in der Zelle aktivieren zahlreiche Signalwege, welche die Expression von Genen beeinflussen, und lösen folglich ein breites Spektrum an zellulären Antworten aus, das von Förderung des Zellüberlebens bis hin zum Zelltod reicht [2]. Die Forschung des letzten Jahrzehnts hat aufgedeckt, dass nach Exposition von Tumorzellen mit einer in der Strahlentherapie für Krebserkrankungen eingesetzten Dosis, die in Gray (Gy; entspricht Joule/kg) angegeben wird, sich der immunologische Phänotyp der Zellen sowie die Tumormikroumgebung verändern. Neben immunstimulierend wirkenden Veränderungen wie einer erhöhten Expression von MHCI-Molekülen, Todesrezeptoren und Stressliganden auf der Tumorzelloberfläche werden hauptsächlich durch die Induktion von immunogenem Tumorzelltod (ICD) Gefahrensignale wie ATP, HMGB1 und HSP70 sowie immunstimulierende Zytokine freigesetzt. Allerdings führt eine Bestrahlung der Zellen auch zu immununterdrückend wirkenden Veränderungen wie einer erhöhten Expression des Immun-Checkpoint-Moleküls PD-L1 und zur Freisetzung von TGF-β. Welche dieser Veränderungen überwiegen, ist individuell sehr unterschiedlich und bestimmt letztendlich, ob durch eine alleinige Strahlentherapie neben den lokalen Effekten der Tumorzellabtötung noch zusätzlich lokal und systemisch wirkende Anti-Tumor-Immunreaktionen ausgelöst werden [3]. Die durch lokale Bestrahlung ausgelösten und systemisch wirkenden Immunantworten werden als „abskopale Effekte“ der Strahlentherapie bezeichnet und wurden erstmals von Mole 1953 theoretisch beschrieben [4]. Da allerdings Strahlung sowohl immunaktivierend wie auch immununterdrückend wirkt (Abb. 1), wird der abskopale Effekt in der Klinik meist nur bei der Kombination aus Bestrahlung mit zusätzlicher Aktivierung des Immunsystems mit Immuntherapien, insbesondere mit Immun-Checkpoint-Inhibitoren, beobachtet und ist mechanistisch auf immunologische Reaktionen zurückzuführen [5]. 

Die Bestrahlung des Tumors kann immunogene Epitope erzeugen, die von dendritischen Zellen kreuzpräsentiert werden. Die so aktivierten CD8+-zytotoxischen T-Zellen töten vor allem Tumorzellen des bestrahlten Tumors ab, können aber auch Tumorzellen des nicht bestrahlten Tumors angreifen [6]. 

Ausnutzung der immunmodulierenden Wirkungen der Strahlentherapie bei multimodalen Tumortherapien

Wird durch eine lokale Tumorbestrahlung ICD induziert und die Tumorvaskulatur derart verändert, dass mehr Immunzellen in den Tumor einwandern können, so können hierdurch bereits effektive lokale Anti-Tumor-Immunantworten ausgelöst werden. Klinisch gibt es allerdings zu beachten, dass aktuell noch mit bestimmten Bestrahlungsschemata (klassische Fraktionierung mit ca. 2 Gy Einzeldosis täglich von Montag bis Freitag bis zu einer Gesamtdosis von 60–80 Gy oder sog. Hypofraktionierung mit erhöhter Einzeldosis, aber dafür weniger Fraktionen) behandelt wird. Strahlenimmunbiologisch geht man heute davon aus, dass eine Einzeldosis von 2 Gy eher die Immunzellinfiltration fördert und eine Dosis von > 2 Gy eher ICD induziert. Relevant ist hierbei, dass oft nicht-lineare Dosis-Effekt-Beziehungen vorherrschen. So wird beispielsweise die Immuno­genität von Tumorzellen nach Bestrahlung mit einer zu hohen Einzeldosis, wie sie etwa in der Radiochirurgie eingesetzt wird, wieder reduziert, weil Enzyme aktiviert werden, welche die sich nach Bestrahlung im Zytoplasma befindende immunogene DNA wieder abbauen, oder weil verstärkt immununter­drückende Immun-Checkpoint-Moleküle (ICM) auf den Tumorzellen exprimiert werden [7, 8]. Bei letzterem liegt nun der Ansatzpunkt für eine Kombination von Strahlen- und Immuntherapien. Durch Hemmung von ICM parallel zur oder zeitnah nach Strahlentherapie wurden im Tiermodell und in der Klinik lokale und systemische Anti-Tumor-Immun­antworten beobachtet und die sogenannten „Radio-Immuntherapien“ halten immer mehr Einzug in die onkologische multimodale Behandlung [9, 10]. Auch findet zunehmend eine immunologisch basierte Patientenselektion basierend auf Induktions-Chemo-Immuntherapien statt [11, 12]. Diese haben einerseits das Ziel, den Tumor auch bei jenen Patienten schnell zu kontrollieren, die nicht auf reine Immuntherapien ansprechen. Andererseits erhält man bei der Kombination der Chemo- mit Immuntherapie Informationen darüber, ob Immunzellen in den Tumor einwandern. Liegen dann sogenannte immunologisch „heiße“ Tumoren vor, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass auch andere zytotoxische Stimuli wie die Strahlentherapie ein immunologisches Ansprechen auslösen. Besonders spannend ist das Wiederaufkommen der Tumorvakzinierungen in diesem Kontext [13] und die Stratifizierung von Patienten auf Basis immunologischer Faktoren [14].

Abmilderung von Entzündung durch ionisierende Strahlung

Eine wenig bekannte Anwendung von Strahlentherapie ist die komplementäre Behandlung von chronisch entzündlichen Erkrankungen. Interessanterweise mildert eine Einzeldosis von 0,3–1,0 Gy Entzündungen ab. Die strahlenimmunbiologische Forschung hat bisher herausgefunden, dass insbesondere der entzündliche Phänotyp von Makrophagen beeinflusst wird, aber auch die Migration von Immunzellen aus dem Blut ins Gewebe. Darüber hinaus wird der Knochenstoffwechsel positiv durch Strahlungswirkung auf Osteoblasten und Osteoklasten moduliert [15]. In der Zukunft gilt es dringend aufzuklären, warum ab einer bestimmten Strahlungsdosis Entzündungen eher gefördert und unter einer bestimmten Strahlungsdosis insbesondere Entzündungen abgemildert werden. Hierbei könnten die strahlungsinduzierten ROS und nachgeschaltete Signalwege eine entscheidende Rolle spielen [16].

Herausforderungen der Strahlen­immunbiologie in der Vergangenheit und für die Zukunft

Als ich 2007 die AG Strahlenimmunbiologie an der Strahlenklinik in Erlangen gründete, herrschte große Skepsis einerseits bei den Radioonkologen, dass im Zusammenhang mit Strahlung überhaupt Immunreaktionen ausgelöst werden können, und andererseits bei den Immunologen, dass die von uns initial untersuchten Mechanismen doch schon längst alle bekannt seien. Das ist ein bekanntes Phänomen, wenn zwei getrennte Fachgebiete plötzlich zusammengeführt werden. Wie immer in der Wissenschaft bedarf es Durchhaltevermögen, auf Daten basierende Überzeugungsarbeit, Förderung, die Integration in Forscherverbünde und die Unterstützung „von oben“ und vom ganzen Team. So konnte meine Gruppe die Forschung zu strahlungsinduzierten Immunmodulationen durch Unterstützung von Prof. Hans-Martin Jäck kontinuierlich in die immunologischen Graduiertenkollegs (GRK 529, GRK 1660, GRK2599) am Standort Erlangen einbringen und Prof. Rainer Fietkau (Direktor der Strahlenklinik) war immer sehr offen und unterstützend für unsere „immunologischen Ideen“. Dank anfänglicher Förderungen durch die EU im Rahmen von Strahlenschutzprogrammen gelang es uns, die Fördermöglichkeiten auch für die tumor­immunologische und osteoimmunologische Forschung auf die DFG, das BMBF und Stiftungen wie die Bayerische Forschungsstiftung in Zusammenarbeit mit der Medizintechnikindustrie bis hin zu internationalen Graduiertenkollegs (ITNs) weiter auszubauen. Viele immunologische Aspekte und Mechanismen gilt es mit dem „Stressor Strahlung“ zu validieren oder zu überdenken. 
Die Strahlenimmunbiologie ist ein sehr translational ausgerichtetes Forschungsfeld. Es gilt zum einen, teils seit Jahrzehnten aus der Klinik bekannte Phänomene wie die Entzündungsabmilderung mechanistisch verstehen („from bedside to bench“) [17] und in klinischen Studien zu validieren (NCT02653079). Zum anderen werden neue präklinisch entwickelte immunologische Konzepte, die auf dem Zusammenspiel von Strahlentherapie mit Immuntherapien wie der Immun-Checkpoint-Hemmung beruhen, klinisch im Rahmen von Studien umgesetzt („from bench to bedside“), beispielsweise in der ST-ICI-Studie (NCT03453892), die sich unter anderem auf die zeitliche Koordination von Strahlentherapie und Immun-Checkpoint-Hemmung konzentriert, um die immunologischen Synergien noch besser zu verstehen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das detaillierte, longitudinale Immunmonitoring von Patienten im Rahmen von klinischen Studien, um klinisch relevante prädiktive Immunmarker zu identifizieren [14]. Multimodale Tumortherapien werden zukünftig noch mehr an den individuellen Patienten angepasst sein und immunologische Eigenschaften des Tumors werden auch teils schon jetzt für die Patientenselektion für weitere Therapien herangezogen, etwa nach Induktions-Chemo-Immuntherapien [11]. Das mechanistische Verständnis der immunologischen Wirkungen der Integration von zusätzlichen Immuntherapien wie der lokal applizierten Hyperthermie ist ebenfalls noch spärlich und stellt ein großes Forschungsgebiet der Zukunft dar [18]. Bei der lokal applizierten Hyperthermie wird der Tumor(bereich) etwa eine Stunde lang über eine physiologische Temperatur von 40–43 °C erhitzt. Lokoregionale Hyperthermie in Kombination mit Strahlentherapie ist heute bereits ein Standardverfahren für Patienten mit lokal fortgeschrittenem Gebärmutterhalskrebs (Tiefenhyperthermie) oder rezidivierendem Brustkrebs (oberflächliche Hyperthermie). In Abhängigkeit von der Temperatur werden durch Hyperthermie bestimmte immunologische Prozesse ausgelöst; ab Temperaturen von 39 °C kann in präklinischen Modellsystemen eine verstärkte Infiltration und Aktivierung von Immunzellen im Tumor beobachtet werden. Bei höheren Temperaturen weist der hitze­induzierte Zelltod bestimmte Merkmale des ICD auf.
Aufgrund der in den letzten Jahren zahlreichen gewonnen immunologischen Kenntnisse über die Strahlungswirkungen besteht die Vision, dass die klassischen Bestrahlungsschemata aufgeweicht und der immunologischen Tumormikroumgebung angepasst werden (Patienten-adaptierte Strahlentherapie). Eine zusätzliche große wissenschaftliche Herausforderung ist, die immunologischen Mechanismen der strahlungsinduzierten Anti-Tumor-Immunreaktionen im multimodalen Konzept mehr im Detail zu verstehen und sich auf Immunzellsubpopulation wie etwa die Typ-1-dendritischen Zellen zu fokussieren. Auch gilt es herauszufinden, welche Immuntherapien am effektivsten mit Strahlentherapie kombiniert werden können, um lokale und systemische Anti-Tumor-Immunreaktionen auszulösen oder wieder herzustellen [8]. Dass viele der hierbei gewonnenen Erkenntnisse wiederum auch für den Strahlenschutz von Interesse sind, zeigt einmal mehr das breite und faszinierende Feld der Strahlenimmunbiologie auf, da bereits sehr niedrige Strahlendosen zu Immunveränderungen im Körper führen können [19].
Neben dem wichtigen Einfluss der Einzeldosis auf strahlungsinduzierte Immunmodulationen (Abb. 2) müssen eine Vielzahl weiterer Faktoren (wie etwa Alter, Geschlecht, Entzündungsstatus) in die Betrachtungen mit einbezogen werden, um strahlenimmunbiologische Mechanismen zukünftig noch detaillierter aufzuklären und zu verstehen.

Interessenskonflikt

Der Autor erhielt Unterstützung für Präsentations- und Beratertätigkeiten für die Dr. Sennewald Medizintechnik GmbH, erhielt Unterstützung für IITs von MSD und AstraZeneca und nahm an Sitzungen der Beratungsgremien von AstraZeneca und Bristol-Myers Squibb teil.