Klinische Anwendung der CAR-T-Zell-Therapie

Einleitung

In der Bekämpfung bösartiger Neubildungen spielt das Immunsystem eine wichtige Rolle. Diese Erkenntnis basiert auf fundamentalen Arbeiten der Grundlagenforschung und klinischen Beobachtungen, welche die grundsätzliche Fähigkeit des Immunsystems belegen, die Tumorentstehung und das Fortschreiten einer malignen Erkrankung zu kontrollieren. Die Entwicklung einer klinisch manifesten Krebserkrankung geht deshalb in der Regel mit dem Verlust dieser immunologischen Kontrolle einher. Auf dieser Basis wurden Ansätze entwickelt, die darauf abzielen, die immunologische Tumorkontrolle des Körpers wiederherzustellen oder zu übertragen (Immuntherapie). Eine besonders effektive Form der Immuntherapie stellt die Ausstattung von T-Zellen mit Tumor-spezifischen Rezeptoren dar. Dies erfolgt entweder durch Modifikation der T-Zellen mit einem spezifischen T-Zell-Rezeptor oder mit einem chimären Antigenrezeptor (CAR). Diese veränderten T-Zellen sind in der Lage, spezifisch Oberflächenstrukturen auf malignen Zellen zu erkennen und diese zu zerstören. CAR-T-Zellen haben in den letzten Jahren die Therapie von einigen refraktären oder rezidivierten hämatologischen Krebserkrankungen revolutioniert. Mit der Zulassung von CAR-T-Zellen für bestimmte hämatologische Neoplasien und deren klinischer Anwendung steigt allerdings auch die Zahl der beobachteten schweren Nebenwirkungen dieser neuen Therapiestrategie. Außerdem zeigen CAR-T-Zellen in der Therapie von soliden Tumoren derzeit kaum Wirkung. Im Folgenden sollen der derzeitige Stand der CAR-T-Zell-Therapie sowie die bedeutendsten Limitationen und einige Zukunftsperspektiven erläutert werden.

Aufbau von chimären Antigenrezeptoren

CAR sind gentechnisch hergestellte Fusionsproteine, welche die Antigenspezifität eines Antikörpers an die Effektorfunktion von T-Zellen koppeln [1]. Dazu wird die Antigenerkennungsdomäne, das sogenannte single-chain variable fragment (scFv), von einem Tumor-spezifischen monoklonalen Antikörper abgeleitet. Dieses scFv wird über Strukturdomänen an intrazelluläre Signaltransduktionsmoleküle (i. d. R. CD3ζ-Kette) des T-Zellrezeptor-Komplexes gekoppelt (CAR der ersten Generation) und befähigt die modifizierten T-Zellen Tumor-assoziierte Antigene unabhängig von MHC-Molekülen zu erkennen. Diese MHC-Unabhängigkeit ermöglicht es CAR-T-Zellen, neben antigenen Proteinen beispielsweise auch aberrante Glykosylierungsmuster auf Tumorzellen zu erkennen [2]. CAR-T-Zellen, welche gegen Peptid-MHC-Komplexe gerichtet sind, können zudem auch auf intrazelluläre Antigene abzielen [3]. In CAR der zweiten und dritten Generation wurde der intrazellulären Domäne des CAR ein Kostimulus (z. B. CD28 oder 4-1BB) hinzugefügt, welcher die Aktivierung und damit die Effektivität der CAR-T-Zellen beträchtlich steigerte (Abb. 1).

Die optimale Struktur von CAR ist derzeit nicht endgültig geklärt; am gründlichsten untersucht wurde bisher der Einfluss verschiedener kostimulatorischer Domänen auf die CAR-T-Zellfunktion. Dabei zeigte sich, dass 4-1BB-CAR-T-Zellen länger im Körper persistieren können (u. a. durch verstärkte oxidative Energiegewinnung), während CD28-basierte CAR-T-Zellen eine potente anti-tumorale Immunreaktion bewirken, allerdings nur wenige Wochen im Blut nachweisbar sind [4, 5]. Zunehmend rückt auch die, unter Umständen, bedeutende Funktion der bisher weniger gründlich untersuchten Domänen (z. B. Transmembrandomäne) in den Fokus [6].  

Herstellung von CAR-T-Zellen

CAR-T-Zellen werden in vitro durch genetische Modifikation (in der Regel) autologer T-Zellen erzeugt (Abb. 2).

Zuerst werden die T-Zellen im Rahmen einer Leukapherese aus Patientenblut isoliert. Dies ist allerdings bei ausgiebig vorbehandelten Patienten nicht immer möglich und verhindert daher die erfolgreiche Anwendung der CAR-T-Zell-Therapie bei manchen Patienten.
Das Einschleusen der genetischen Information für den CAR erfolgt derzeit hauptsächlich mittels retroviraler Vektoren (lentiviral oder γ-retroviral), seltener auch mithilfe der RNA-Elektroporation (nur vorübergehende Expression des Rezeptors, keine genomische Integration). Sowohl lentivirale als auch γ-retrovirale Vektoren bergen das Risiko der Gentoxizität durch Integration des CAR in das Genom der Zellen. Dabei können wichtige regulatorische Elemente gestört werden, wodurch ein gewisses Risiko der malignen Transformation der CAR-T-Zellen nicht auszuschließen ist. Allerdings wurde eine onkogene Transformation bisher nur im Kontext genetisch veränderter hämatopoetischer Stammzellen beobachtet, nicht hingegen nach der Modifikation reifer T-Zellen [7, 8]. Derzeit werden alternative Möglichkeiten der genetischen Modifikation im Kontext der CAR-T-Zell-Therapie untersucht, zum Beispiel die Verwendung von Transposon-Systemen wie Sleeping Beauty oder die zielgerichtete Integration des CAR in bestimmte Gen-Loci mittels Sequenz-spezifischer Endonuklease-Systeme wie CRISPR-Cas9 [9]. Die genetisch modifizierten CAR-T-Zellen müssen danach expandiert werden, um eine adäquate Zahl an Effektorzellen für die Therapie bereitzustellen. Patienten erhalten in der Regel vor Infusion der CAR-T-Zellen eine Lymphozyten-depletierende Chemotherapie zur Konditionierung, eine Maßnahme, welche die Expansion der transferierten CAR-T-Zellen verbessern soll. Insgesamt ist die Herstellung eines autologen CAR-T-Zellprodukts äußerst aufwendig und nimmt in der Regel mehrere Wochen in Anspruch. Daher wird derzeit die Verwendung von allogenen „off-the-shelf“ CAR-T-Zellen von gesunden Spendern untersucht, welche für Patienten, die für eine konventionelle CAR-T-Zell-Therapie nicht infrage kommen, in Zukunft eine mögliche Therapiealternative darstellen könnten [10]. Aufgrund der HLA-Inkompatibilität müssen dabei allerdings zusätzliche Anforderungen an die CAR-T-Zellproduktion und Patientenvorbereitung gestellt werden.

Indikationen für die Anwendung von CAR-T-Zellen

2017 erfolgte die Zulassung des ersten CAR-T-Zellproduktes (Tisagenlecleucel, Kymriah®) durch die U. S. FDA für Patienten bis zu 25 Jahren mit refraktärer oder rezidivierter B-ALL, basierend auf der Phase-II-Studie ELIANA [11]. Im gleichen Jahr erfolgte die Zulassung eines weiteren CAR-T-Zellproduktes (Axicabtagene ciloleucel, Yescarta®) in der Indikation des refraktären oder rezidivierten großzelligen B-Zell-Lymphoms, basierend auf der Phase-I/II-Studie ZUMA-1 [12]. 2018 folgte die Zulassung von Kymriah® in gleicher Indikation, basierend auf der Phase-II- Studie JULIET [13]. Die Zulassung für das primär mediastinale B-Zell-Lymphom wurde aber für Kymriah® mangels Daten ausgenommen. 2018 erfolgte außerdem die Zulassung von Kymriah® und Yescarta® in der Europäischen Union. Sowohl Kymriah® als auch Yescarta® sind CAR-T-Zellprodukte mit dem Zielantigen CD19 und enthalten als CAR der zweiten Generation entweder 4-1BB (Kymriah®) oder CD28 (Yescarta®) als kostimulatorische Domäne. Während Kymriah® mithilfe eines lentiviralen Vektors in die T-Zelle eingeschleust wird, verwendet Yescarta® einen γ-retroviralen Vektor. Die Anwendung der CAR-T-Zellen ist derzeit in Deutschland auf einige universitäre Zentren beschränkt. In Anbetracht der seltenen Indikation, der beträchtlichen Komplexität und der potentiellen Nebenwirkungen dieser Therapie erscheint diese Einschränkung sinnvoll.
Trotz des herausragenden Erfolgs von CAR-T-Zellen in hämatologischen Entitäten, ist deren Wirkung in soliden Tumoren aufgrund verschiedener Limitationen begrenzt [14]. Derzeit wird intensiv an der Entwicklung einer erfolgreichen CAR-T-Zelltherapie für aggressive Tumor­entitäten wie beispielsweise das Pankreaskarzinom, Mesotheliom, Ovarialkarzinom oder das Glioblastom geforscht. Trotz des bisher ungenügenden Ansprechens dieser Tumorn auf die CAR-T-Zelltherapie geben einzelne klinische Fallberichte Grund zur Hoffnung: So zeigte die IL13Rα2-gerichtete CAR-T-Zelltherapie eines Patienten mit rezidiviertem, multifokalem Glioblastom eine Regression aller intrakraniellen und spinalen Läsionen über eine Dauer von 7,5 Monaten nach initialer CAR-T Zell-Therapie [15].

Nebenwirkungen von CAR-T-Zellen

Während CAR-T-Zellen beträchtliche anti-tumorale Wirkung zeigen, birgt die Therapie das Risiko schwerer, potentiell tödlicher Nebenwirkungen. Diese entstehen zum einen durch eine ungebremste Aktivierung der CAR-T-Zellen und die damit einhergehende Ausschüttung proinflammatorischer Zytokine (Cytokine relase syndrome, CRS) mit der potentiellen Folge schwerer Organdysfunktionen. Fieber, Tachykardie und Hypotonie sind klassische Symptome im Kontext eines CRS und erfordern differentialdiagnostisch den Ausschluss einer Infektion sowie eine rasche symptomatische Therapie. Das Auftreten eines schweren CRS (≥ Grad 3) wurde bei 47 % (Studie ELIANA, Penn-Kriterien), bei 22 % (Studie JULIET, Penn-Kriterien) und bei 11 % der Patienten (Studie ZUMA-1, Lee-Kriterien) beobachtet [11–13]. Aufgrund der beträchtlichen Komplexität des CRS und der Heterogenität der gebräuchlichen Einteilungskriterien wird hier auf eine detaillierte Übersicht der teilweise verschiedenen CRS-Graduierungssysteme verzichtet. Eine umfassende Auflistung der publizierten CRS-Graduierungssysteme sowie die vereinbarten Konsensuskriterien (basierend auf den drei Kriterien Körpertemperatur, Blutdruck und Sauerstoffbedarf) der American Society for Transplantation and Cellular Therapy (ASTCT) finden sich an anderer Stelle [16]. Eine retrospektive Evaluierung der CRS-Schweregrade anhand der neuen Konsensuskriterien für Patienten, die mit Yescarta® oder Kymriah® behandelt wurden, findet sich hier [17]. Neben supportiven Maßnahmen beinhaltet das immunsuppressive Management des CRS sowohl den IL-6-Rezeptor-blockierenden Antikörper Tocilizumab als auch Dexamethason, wodurch allerdings die anti-tumorale Effektivität der CAR-T-Zellen abgeschwächt werden könnte [18]. Ein bisher nur unzureichend geklärtes Phänomen infolge der CAR-T-Zelltherapie ist das Auftreten neurotoxischer Symptome, welche in der Regel unter symptomatischer Therapie oder Dexamethason reversibel sind. Neurotoxische Symptome im Kontext der CAR-T-Zelltherapie beinhalten unter anderem Kopfschmerzen, Konzentrationsstörungen, Unruhe, Bewusstseinsstörungen, Enzephalopathie, Delir, epileptische Anfälle, Tremor, Aphasie und in seltenen Fällen ein generalisiertes Hirnödem. Schwere neurotoxische Nebenwirkungen (≥ Grad 3) wurden bei 13 % (Studie ELIANA), bei 12 % (Studie JULIET) und bei 32 % der Patienten (Studie ZUMA-1) beobachtet [11–13]; eine Übersicht der verwendeten Graduierungssysteme, die neuen Konsensuskriterien der ASTCT sowie eine retrospektive Evaluierung der Neurotoxizität anhand dieser Kriterien finden sich hier [16, 17]. Sowohl das CRS als auch die Neurotoxizität können als Antigen-unabhängige Nebenwirkungen der CAR-T-Zelltherapie interpretiert werden. Im Gegensatz dazu führt die Erkennung des Zielantigens auf gesunden Körperzellen zu Antigen-abhängiger Toxizität. Im Falle eines CD19-spezifischen CAR manifestiert sich dies in einer ausgeprägten B-Zell-Zytopenie und Hypogammaglobulinämie. Beides sind bekannte Nebenwirkungen von B-Zell-depletierenden Agenzien, wie z. B. des Anti-CD20-Antikörpers Rituximab, und können in der Regel bei Bedarf gut durch Immunglobulin-Substitution behandelt werden. Diese Substitution erfordert allerdings die mitunter jahrelange monatliche Vorstellung der Patienten in der Klinik und ist dementsprechend aufwendig. Wenn im Rahmen der CAR-T-Zelltherapie das Zielantigen in lebenswichtigen Organen exprimiert wird, kann dies allerdings dosislimitierend sein [19].

Limitationen und Ausblick

Trotz des beachtlichen Erfolgs von CAR-T-Zellen bestehen derzeit noch deutliche Limitationen dieser Therapiestrategie. Zum einen sprechen solide Tumoren nur ungenügend auf die CAR-T-Zelltherapie an, zum anderen ist die Rate an Rezidiven nach CAR-T-Zelltherapie besonders bei ALL-Patienten hoch. Ein fundamentales Problem der zielgerichteten Therapie mit CAR-T-Zellen ist der potentielle Verlust des Zielantigens von Tumorzellen, mit der Folge, dass CAR-T-Zellen gegen diese Tumorzellen unwirksam werden [11]. Mithilfe von CAR-T-Zellen, welche gleichzeitig mehr als ein Tumor-assoziiertes Antigen erkennen können, soll das Entkommen von Tumorzellen durch Verlust eines einzelnen Antigens verhindert werden [20].
Ein weiteres Problem stellt das bereits erwähnte Vorkommen Tumor-assoziierter Antigene auf gesunden Zellen und die damit einhergehende Toxizität dar. Dieses Hindernis könnte ebenfalls durch Ausstattung der CAR-T-Zellen mit mehreren Rezeptoren überwunden werden. Beispielsweise exprimieren Synthetic-Notch-Rezeptor CAR-T-Zellen erst nach Erkennen eines ersten Tumorantigens einen weiteren Rezeptor mit Spezifität für ein zweites Tumorantigen. Erst die Erkennung dieses zweiten Antigens auf Tumorzellen führt zur Aktivierung der T-Zell Effektorfunktion, während gesunde Zellen mit Expression nur eines Antigens verschont bleiben [21].
Im Kontext maligner Erkrankungen können T-Zellen durch exzessive chronische Stimulation in einen Zustand verminderter Funktion (Exhaustion) übertreten oder völlig zerstört werden (Activation-induced cell death), wodurch die Persistenz und Effektivität der CAR-T-Zellen deutlich vermindert wird. Derzeit wird versucht, diesem Phänomen unter anderem durch die strukturelle Optimierung des CAR-Moleküls entgegenzuwirken.
Im Hinblick auf solide Tumoren ist zudem die Infiltration der CAR-T-Zellen ins Tumorgewebe eine Voraussetzung für die Effektivität der Therapie. Allerdings exprimieren die modifizierten T-Zellen oft nicht die geeigneten Chemokinrezeptoren, um effektiv in das Tumorgewebe einzuwandern. Dies eröffnet wiederum therapeutische Möglichkeiten, indem T-Zellen gezielt mit bestimmten Chemokinrezeptoren ausgestattet werden, wodurch die T-Zellinfiltration in präklinischen Studien verbessert werden konnte [22].
Ein weiteres Hindernis stellt das immunsuppressive Milieu im Tumor selbst dar, induziert und aufrechterhalten von einer Vielzahl verschiedener, im Tumor vorhandener Zelltypen und löslicher Faktoren. Insbesondere die Kombination von CAR-T-Zellen mit Checkpoint-Inhibitoren könnte einem Teil dieser Immunsuppression entgegenwirken.
Im Kontext rezidivierter oder refraktärer hämatologischer Neoplasien konnte sich die CAR-T-Zell-Therapie in den vergangenen Jahren als bedeutende Therapiesäule etablieren. Eine beträchtliche Herausforderung stellt nun die Translation dieser Therapiestrategie zur effektiven Bekämpfung solider Tumoren, sowie die Vermeidung von Rezidiven nach CAR-T-Zell-Therapie dar. Dies erfordert einerseits ein besseres Verständnis der Tumorbiologie unterschiedlicher Krebsentitäten, andererseits die technische Expertise, die Funktion der veränderten T-Zellen gezielt an patientenindividuelle Bedürfnisse anzupassen.

Interessenskonflikte

Sebastian Kobold ist Miterfinder mehrerer Patentanmeldungen auf dem Gebiet der Zelltherapie und Immunonkologie und erhält Forschungsunterstützung von TCR2 Inc, Boston. Diese sind aber nicht Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Autoren erklären, dass keine Interessenskonflikte zu dieser Arbeit und den darin beschriebenen Medikamenten bestehen. Die hier beschriebenen Medikamente und Informationen zu Indikationsgebieten basieren auf einer Literaturrecherche der Autoren. Diese stellen in keiner Weise Anspruch auf Richtigkeit oder Vollständigkeit. Der Artikel ist unter keinen Umständen als Anleitung zur Anwendung dieser Medikamente zu verstehen.

Danksagungen

Sebastian Kobold wird unterstützt durch das internationale Doktorandenprogramm „i-Target: Immunotargeting of cancer“ des Bayerischen Elitenetzwerkes, der Melanoma Research Alliance (grant number 409510), des Marie-Sklodowska-Curie „Training Network for the Immunotherapy of Cancer (IMMUTRAIN)“ des H2020 Program der Europäischen Union, des European Research Council (ERC), der Else Kröner-Fresenius-Stiftung, der Deutschen Krebshilfe, der Ernst-Jung-Stiftung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der José-Carreras Leukämie-Stiftung, der Hector-Stiftung, der Exzellenzinitiative (LMUexcellent) und durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.