CAR NK: Eine neue Ära der Krebsbehandlung mit natürlichen Killerzellen

Die durch Veränderung von T-Zellen hergestellten CAR T-Therapien erhielten erstmals 2017 für Leukämien und Lymphome die Zulassung der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde (FDA) und eröffneten eine neue Ära der zellulären Immuntherapie in der Krebsbehandlung. Nun begegnen wir einem neuen lebenden Krebsmedikament, das wirksamer ist und weniger Nebenwirkungen hat: CAR NK-Zell-Therapie.

Die „natürlichen Killerzellen“ (narutal killer = NK) des Immunsystems gehören zur angeborenen Immunabwehr und wurden erstmals 1975 bei Mäusen entdeckt. Sie tragen verschiedene Zelloberflächenrezeptoren und sind unterschiedlich auf gesunde Gewebe verteilt. Die meisten NK-Zellen befinden sich in Blut, Leber, Milz und Knochenmark, ein kleiner Teil in Lymphknoten. NK-Zellen stehen an vorderster Front bei der Abwehr von Krankheitserregern. Wenn Viren normale Körperzellen befallen, werden sie rasch aktiv und lösen Schutzreaktionen aus, ohne dem Erreger zuvor begegnet sein zu müssen.

Technologische Fortschritte und Studien der letzten Jahre helfen uns, die Tumorimmunologie beziehungsweise die Beziehung zum Immunsystem besser zu verstehen. Untersuchungen mit NK-Zellen sind für Forschende besonders interessant. Man entdeckte, dass NK-Zellen aus verschiedenen Quellen eines Spenders, etwa Knochenmark, menschlichen embryonalen Stammzellen, induzierten pluripotenten Stammzellen, peripherem Blut oder Nabelschnurblut, nach Übertragung auf Patienten stärkere Antworten gegen Tumoren auslösen. Diese NK-Zellen zu isolieren und im Labor zu vermehren, ist jedoch äußerst schwierig. Mithilfe der Zellklonierung entstanden NK-Zelllinien mit gleichen Eigenschaften, hoher Reinheit und gleichbleibender Funktion: KHYG-1, NK-92, NKL, NKG und YT. Sie erleichterten Experimente in großem Maßstab. Die Modifikation der Zelllinie NK-92 mit CAR (chimeric antigen receptor) führte zu einer starken Antitumorwirkung und ebnete den Weg für die klinische Anwendung.

NK-Zellen tragen unterschiedliche Biomarker auf ihrer Oberfläche; besonders auffällig sind die Zelloberflächenmarker CD56 und CD16. Nach der Dichte von CD56 und CD16 werden NK-Zellen in zwei Gruppen unterteilt: CD56bright und CD56dim.

CD56dim-NK-Zellen sind vollständig ausgereift und machen etwa 90% der NK-Zellen im Blut aus. Sie sind für die zytotoxische beziehungsweise zelltötende Antwort verantwortlich und wirken an der antikörperabhängigen zellvermittelten Zytotoxizität mit. CD56bright-NK-Zellen sind dagegen unreif und befinden sich überwiegend in Geweben und sekundären lymphatischen Organen. CD56bright-Zellen tragen nur sehr wenig CD16 auf ihrer Oberfläche. Ihre wichtigste Aufgabe in der Immunantwort ist daher die Freisetzung von Zytokinen wie Interferon (IFN)-gamma, Tumornekrosefaktor (TNF)-alpha, Granulozyten-Makrophagen-koloniestimulierendem Faktor (GMCS), IL-10 und IL-13.

NK-Zellen erkennen Fremdes mithilfe aktivierender und hemmender NK-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche. Diese erkennen Moleküle des Haupthistokompatibilitätskomplexes I (MHC-I), die auf allen kernhaltigen Körperzellen vorkommen. Dies signalisiert, dass die gegenüberliegende Zelle gesund ist, aktiviert den hemmenden NK-Rezeptor und verhindert, dass NK-Zellen ihr Ziel zerstören.

Erläuterung der Abbildung oben: a) Eigene / freundliche Zelle: Die NK-Zelle erkennt das MHC-I-Molekül auf der Oberfläche der Zielzelle und verzichtet darauf, sie zu zerstören. b) Zelle mit fehlendem Selbstmerkmal: Die Zielzelle trägt kein MHC-I-Molekül auf ihrer Oberfläche. Die NK-Zelle erhält dadurch Signale über ihre aktivierenden Rezeptoren und beginnt, die Zelle zu zerstören. c) Gestresste Zelle: Wenn die Zielzelle verändertes MHC-I oder stressbedingte Moleküle auf ihrer Oberfläche trägt, wird sie von NK-Zellen erkannt und zerstört. d) Körperfremde Zelle: Die Zielzelle trägt fremdes MHC-I auf ihrer Oberfläche und aktiviert die zytotoxischen Mechanismen der NK-Zellen. Dadurch wird die Zielzelle zerstört.

Wenn Viren gesunde Zellen befallen oder ein Tumor entsteht, verschwindet das MHC-I-Molekül von der Zelloberfläche. Dadurch wird der aktivierende NK-Zell-Rezeptor angeregt und zerstört die Zielzelle über drei verschiedene Wege:

1. Perforin/Granzym-Weg: Das in Vesikeln der NK-Zellen gespeicherte Perforin wird nach außen freigesetzt und erhöht die Durchlässigkeit der Oberfläche der Zielzelle. Anschließend gelangt Granzym dorthin, löst Apoptose aus und führt zum Zelltod.
2. Fas/FasL-Weg: Durch die Verbindung der beiden Moleküle Fas und FasL erhält die Zielzelle ein Todessignal und wird innerhalb weniger Stunden durch Apoptose zerstört.
3. Zytokinweg: NK-Zellen beeinträchtigen durch freigesetzte Zytokine wie TNF-alpha die Stabilität der Lysosomen der Zielzelle. Dadurch werden hydrolytische Enzyme freigesetzt, die deren DNA zerlegen, und die Zelle wird zerstört.

NK-92-Zellen

Die Zelllinie NK-92 ist die einzige NK-Zelllinie, die von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde (FDA) für klinische Studien der Phase 1 und Phase 2 genehmigt wurde. NK-92 trägt kaum hemmende, aber zahlreiche aktivierende Rezeptoren. Ihr hoher Gehalt an Perforin und Granzym weist zudem auf eine breit wirksame Zytotoxizität hin.

Zur Bewertung ihrer Wirksamkeit in der Krebsbehandlung wurden zahlreiche Studien mit der Zelllinie NK-92 durchgeführt. Untersuchungen mit Leukämie- und Nyelomzellen zeigten beispielsweise, dass NK-92-Zellen stark zytotoxisch wirken und diese wirksam zerstören.

Chimäre Antigenrezeptoren (CAR) und die Zelllinie NK-92

Obwohl die FDA die gegen CD19 gerichtete CAR T-Zell-Therapie zugelassen hat, bestehen viele Einschränkungen. Dazu zählen insbesondere unerwünschte Nebenwirkungen und ein Zytokinsturm. Bei soliden/festen Tumoren erzielt die CAR T-Zell-Therapie keine erfolgreichen Ergebnisse. Außerdem dauert die Herstellung aus patienteneigenen T-Zellen lange, und es ist schwierig, genügend Zellen zu sammeln. T-Zellen eines Spenders könnten diese Schwierigkeiten zwar überwinden, bergen aber das Risiko einer Graft-versus-Host-Erkrankung mit Organfunktionsstörungen.

Zu den größten Vorteilen von CAR NK-92-Zellen gehören ihre hohe zytotoxische Aktivität und die Möglichkeit, homogene Zellen in kurzer Zeit in großen Mengen herzustellen.

Ihre kürzere Lebensdauer im Körper im Vergleich zu CAR-T-Zellen verringert zudem mögliche Nebenwirkungen.

Unten wird der Wirkmechanismus der anti-CD19 CAR-NK-Therapie vereinfacht zusammengefasst.

Welche Vorteile hat die CAR NK-92-Zell-Therapie?

Durch ihre zahlreichen Vorteile konkurriert die CAR NK-92-Zell-Therapie mit der CAR T-Zell-Therapie. Dazu gehören folgende Punkte:

1. Die CAR NK-92-Zell-Therapie verursacht keine Graft-versus-Host-Erkrankung und hat eine stärkere zytotoxische Wirkung.
2. CAR NK-92-Zellen können den Tumor direkt angreifen und durch Aktivierung der NK-92-Zellen die Zielzelle zerstören.
3. Selbst wenn das Zielantigen auf der Tumoroberfläche verschwindet, bleiben CAR NK-92-Zellen dank ihrer aktivierenden Rezeptoren aktiv.
4. Hemmende Rezeptoren kommen auf NK-92-Zellen nur in geringer Menge vor. Das zusätzliche Entfernen vorhandener Rezeptoren macht NK-92-Zellen bei soliden Tumoren widerstandsfähiger als andere Immunzellen.
5. Die unsterblichen NK-92-Zellen besitzen einen stabilen Phänotyp beziehungsweise ein gleichbleibendes Erscheinungsbild und können im Labor lange vermehrt werden.
6. Die für die CAR T-Zell-Therapie benötigten T-Zellen müssen aus dem Blut des Patienten selbst gewonnen werden. Probleme entstehen, wenn nicht genügend T-Zellen vorhanden sind oder vorhandene Zellen aufgrund von Störungen Tumorzellen nicht ausreichend erkennen. Zudem kann aus den eigenen Zellen jeweils nur 1 Dosis CAR-T hergestellt werden, was die Kosten erhöht. Für NK-Zellen besteht eine solche Einschränkung nicht. Auch NK-Zellen eines Spenders können für die CAR-NK-Therapie genutzt werden.

Unten sind klinische Krebsstudien dargestellt, in denen die CAR NK-Zell-Therapie erprobt wurde:

Welche Schwierigkeiten bestehen bei der CAR NK-92-Zell-Therapie?

Neben einer wirksamen Antitumoraktivität gibt es weiterhin Probleme, die gelöst werden müssen:

• Die Zelllinie NK-92 wurde aus Patienten mit bösartigem Non-Hodgkin-Lymphom gewonnen. Dadurch könnte ein Zweittumor entstehen. Nach der Übertragung von NK-92-Zellen könnte außerdem eine Anfälligkeit für das Epstein-Barr-Virus auftreten. Um die Sicherheit zu erhöhen, sollten mögliche Nebenwirkungen vor der klinischen Anwendung durch Bestrahlung verhindert werden. Studien zufolge behalten NK-92-Zellen auch nach Bestrahlung ihre Vermehrungsfähigkeit und zelltötenden Eigenschaften.
• Eine hohe Strahlendosis verkürzt die Halbwertszeit von NK-92-Zellen und vermindert damit ihre Antitumorwirkung. Um dies zu verhindern, könnten mehrere Injektionen von CAR NK-92 nötig sein.
• Um die CAR-Expression in NK-Zellen einzuleiten, werden meist genetische Modifikationen mit viralen Vektoren verwendet. Verschiedene Vektoren können die genetische Information für die CAR-Expression in die NK-Zelle einbringen. Diese Methode kann jedoch Nachteile haben: Die Vektoren sind möglicherweise teuer, ihre Herstellung langwierig und komplex. Außerdem gibt es keine Garantie, dass die gewünschte genetische Information an der gewünschten Stelle eingefügt wird. Dadurch können normale Gene geschädigt und abnorme Zellzyklen ausgelöst werden. Um diese Probleme zu beseitigen, wird seit einigen Jahren das CRISPR-Cas9-System eingesetzt.
• CAR NK-92-Zellen greifen ein bestimmtes Antigen auf dem Tumor an. Wird dieses jedoch auch von gesunden Körperzellen exprimiert, können unerwünschte toxische Wirkungen auftreten. Deshalb muss die verabreichte Dosis sorgfältig gewählt werden, um die Behandlung innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
• Die kurze Lebensdauer im Körper begrenzt die Behandlung mit CAR NK-Zellen. Neuere Studienergebnisse deuten darauf hin, dass Gedächtnis-NK-Zellen wegen ihrer langen Lebensdauer und anhaltenden Aktivität für die adoptive CAR NK-Zell-Therapie besser geeignet sein könnten.