THERAPEUTISCHE Impfstoffe gegen HPV (humanes Papillomavirus)

HPV steht für „humanes Papillomavirus“ und ist für zahlreiche Krebsarten verantwortlich. Dazu gehören vor allem Zervixkarzinome, also Gebärmutterhalskrebs, sowie Analkarzinome und Kopf-Hals-Tumoren als weitere Beispiele. In früheren Beiträgen haben wir erläutert, was HPV ist, wie es übertragen wird und mit welchen Mechanismen es sich vor unserem Immunsystem verbirgt und damit seine Eigenschaften beschrieben. In diesem Beitrag betrachten wir die bei der HPV-Behandlung eingesetzten therapeutischen, also behandelnden Impfstoffe im Einzelnen.

Hinweis: Im Allgemeinen gibt es 2 Arten von Impfstoffen: vorbeugende und therapeutische Impfstoffe. Bei Impfungen denken wir gewöhnlich an vorbeugende Impfstoffe, etwa Impfungen im Kindesalter, Coronavirus-Impfstoffe und HPV-Impfstoffe wie Gardasil als Beispiele. Therapeutische, also behandelnde Impfstoffe sind dagegen ein neues Konzept, etwa bei Melanomen Lmlygic und bei Prostatakrebs Provenge.

Was ist ein therapeutischer HPV-Impfstoff? 

Therapeutische HPV-Impfstoffe sollen durch die Entwicklung einer gegen HPV-infizierte Zellen gerichteten zellvermittelten Immunität Vorläuferläsionen und maligne, also bösartige Tumoren beseitigen. Deshalb zielen diese Impfstoffe auf HPV-Antigene ab. Es gibt verschiedene Impfansätze:

1. Impfstoffe auf Basis lebender Vektoren,
2. peptid- und proteinbasierte Impfstoffe,
3. nukleinsäurebasierte Impfstoffe und
4. zellbasierte Impfstoffe.

Was ist ein Antigen?

Antigene sind proteinartige Stoffe, die beim Eindringen in den Körper oder bei ihrer Veränderung im Körper, etwa bei Krebszellen, vom Immunsystem als fremd erkannt werden und zur Bildung von Antikörpern führen. Antigene sind meist spezifische Bestandteile von Mikroorganismen wie Viren, Bakterien und Parasiten.

Die biologische Struktur von HPV zum Verständnis der Wirkmechanismen der Impfstoffe

• HPV ist ein unbehülltes Virus mit einem doppelsträngigen, ringförmigen DNA -Molekül.
• HPV gehört zur Familie Papillomaviridae und codiert 6 frühe Proteine (E1, E2, E4, E5, E6, E7) sowie 2 späte Proteine (L1, L2).
• Die frühen Proteine erleichtern die Vermehrung der Virus-DNA und produzieren zelluläre Proteine; die späten Proteine bilden die virale Kapsidstruktur, die neue Viren umschließt.
• Die für diese Proteine codierenden Gene E6 und E7 werden in virusinfizierten Zellen stärker exprimiert. Dadurch nehmen die Mengen der Proteine E6 und E7 zu.
• E6 unterdrückt das p53-Protein; E7 unterdrückt dagegen das RB-Gen. Dadurch stören sie den normalen Zellzyklus und bewirken, dass infizierte Zellen zu Krebszellen werden.
• Auch das E2-Gen wirkt hemmend auf E6 und E7. In infizierten Zellen nimmt E2 wiederum ab, wodurch die Synthese der Proteine E6 und E7 erhöht wird.
• Die Impfstoffe versuchen, HPV zu behandeln, indem sie auf unterschiedliche Weise auf diese Gene einwirken.

Arten therapeutischer HPV-Impfstoffe

1. Impfstoffe auf Basis lebender Vektoren

Bei diesen Impfstoffen dienen Viren und Bakterien als Träger. Vektorbasierte Impfstoffe beruhen darauf, dendritischen Zellen Antigene zu präsentieren. Viele Impfstoffe mit lebenden Vektoren sind stark immunogen, weil sie sich in der Wirtszelle rasch vermehren und dadurch Antigene zwischen den Zellen verbreiten. Ihre Anwendung wird jedoch durch Faktoren wie das Risiko einer Toxizität begrenzt. Impfstoffe mit lebenden Vektoren lassen sich in 2 Gruppen einteilen:

1. Bakterielle Vektoren
2. Virale Vektoren

Bakterielle Vektoren

Abgeschwächte Bakterien können verwendet werden, um dendritischen Zellen Antigene zu präsentieren. L.monocytogenes, Salmonella, Lactococcus lactis sind Beispiele für verwendete Bakterien. Bei Impfstoffen mit bakteriellen Vektoren wurde eine ausgeprägte E7-spezifische T-Zell -vermittelte Immunantwort nachgewiesen.

Virale Vektoren

Auch virale Vektoren sind stark immunogen. Für Impfstoffe können verschiedene Arten wie vaccinia virus, Adenoviren und adenoassoziierte Viren eingesetzt werden. Der gegen das Coronavirus entwickelte Oxford-AstraZeneca-Impfstoff verwendet ebenfalls ein Adenovirus als viralen Vektor.

Unter diesen Viren gilt das Vaccinia-Virus als vielversprechend für eine antigenspezifische Immuntherapie und als wirksamer gegen Infektionen. Das rekombinante Vaccinia-Virus namens MVA-E2 kann das E2-Protein synthetisieren. Der Impfstoff mit diesem Vektor wurde bei Patienten mit CIN (zervikaler intraepithelialer Neoplasie) und Kondylomläsionen getestet. Die Studien zeigten, dass die Patienten Antikörper gegen den MVA-E2-Impfstoff entwickelten und in krebsartig veränderten Zellen eine spezifische T-Lymphozyten-Antwort entstand.

Nachfolgend ist dargestellt, wie eine HPV-Infektion zur Krebsentstehung fortschreitet:

2. Peptid- und proteinbasierte Impfstoffe

Peptidbasierte Impfstoffe

Auch Peptide aus HPV-Antigenen können zur Impfung gegen HPV verwendet werden. Der Mechanismus ist folgender: Gelangen die antigenen HPV-Proteine in den Körper, werden sie von dendritischen Zellen aufgenommen und über mit MHC-1 oder MHC-2 verbundene Wege auf dem HLA-Molekül, dem humanen Leukozytenantigen, präsentiert, wodurch eine Immunantwort entsteht. Diese Impfstoffe sind im Allgemeinen sicher und einfach herzustellen, ihre Anwendung ist dennoch begrenzt. Sie sind MHC-spezifisch; angesichts der vielen HLA-Typen ist es schwierig, einen für jeden Patienten wirksamen Impfstoff zu entwickeln. Zudem erzeugen sie nur eine geringe Immunität. Wegen dieser Eigenschaften konzentrieren sich viele Studien auf unterstützende Moleküle wie Chemokine und Zytokine, um ihr Potenzial zu steigern.

Ein Beispiel für Studien zu diesem Impfstofftyp: In einer Phase-1/2-Studie am Menschen mit einem lipidierten HPV-E7-peptidbasierten Impfstoff verschwand bei 3 von 18 geimpften Patienten die Dysplasie vollständig; bei 6 Patienten bildeten sich die Läsionen deutlich zurück.

Proteinbasierte Impfstoffe

Wie peptidbasierte Impfstoffe sind auch proteinbasierte Impfstoffe sicher und leicht herzustellen. Anders als peptidbasierte Impfstoffe sind sie außerdem nicht MHC-spezifisch. Proteinantigene können von dendritischen Zellen verarbeitet und auf deren Oberfläche präsentiert werden und enthalten zudem jedes mögliche HLA-Epitop. Dennoch weisen sie eine geringe immunogene Aktivität auf; zur Steigerung ihres Potenzials werden deshalb unterstützende Moleküle eingesetzt. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass antigenpräsentierende Zellen (APC) nach der Impfung gelegentlich auf die zur MHC 1-Präsentation injizierten Proteine treffen, sie aufnehmen und unwirksam machen. Beispiele für Studien zu proteinbasierten Impfstoffen:

• Der aus einer Fusion von HPV-16 L2, E6 und E7 bestehende TA-CIN-Impfstoff führte bei allen geimpften Frauen zur Antikörperbildung und erwies sich als sicher.
• Eine weitere Studie untersuchte einen Impfstoff aus einer Verbindung von HPV-16 E7 und dem M.bovis hsp16-Protein. Er wurde bei allen Patienten mit hochgradiger analer intraepithelialer Neoplasie (AIN) gut vertragen.

3. Nukleinsäurebasierte Impfstoffe

Es gibt 2 Arten nukleinsäurebasierter Impfstoffe:

1. Impfstoffe mit DNA-Molekülen und
2. RNA -Replikon-Impfstoffe.

Diese Impfstofftypen werden im Folgenden ausführlich erläutert.

DNA-basierte Impfstoffe

DNA-Impfstoffe sind potenziell wirksam als Strategie der antigenspezifischen Immuntherapie. Nackte DNA, also DNA ohne begleitende Zellen und Proteine, ist sicher, stabil und einfach herzustellen.

DNA-Impfstoffe im Vergleich zu anderen Impfstoffen:

• Sie ermöglichen eine länger anhaltende Antigenexpression als RNA- oder Proteinimpfstoffe.
• Im Vergleich zu Impfstoffen mit lebenden Vektoren führen sie nicht zur Bildung neutralisierender Antikörper. Dadurch kann derselbe Patient wiederholt geimpft werden.

Obwohl DNA-Impfstoffe sicherer als andere Impfstoffe sind, bestehen auch Bedenken. Beispielsweise könnte sich DNA in das Wirtsgenom integrieren und dadurch das Genom dieser Zelle stören; dafür liegen jedoch keine Daten vor. Ein weiteres Bedenken ist ihre geringe immunogene Aktivität. Der Grund ist, dass die DNA des Impfstoffs nicht die Fähigkeit hat, von HPV-infizierten Zellen auf benachbarte Zellen überzugehen und sich zu vermehren. Aus solchen Gründen wurden verschiedene Strategien entwickelt, um die Wirksamkeit von DNA-Impfstoffen zu steigern.

Die erste Strategie ist, die Zahl der antigenexprimierenden dendritischen Zellen zu erhöhen. Eine dafür verwendete Methode ist die „Genkanone“ als besonders wirksames Verfahren. Eine „Genkanone“ schießt DNA-beschichtete Goldpartikel ab. Dadurch werden dendritische Zellen transfiziert, die in lymphatische Organe wandern, um dort zu reifen und sich zu T-Zellen zu entwickeln. Transfektion bedeutet, dass ein DNA-Stück von außen in eine Zelle gelangt. Auf diese Weise gelangt das nackte DNA-Molekül in die dendritischen Zellen. Eine weitere Methode zur Vermehrung dendritischer Zellen besteht darin, die Verbreitung des codierten Antigens zwischen dendritischen Zellen zu ermöglichen. Dafür muss das Antigen an ein Protein gebunden werden, das einen Transport zwischen Zellen ermöglicht.

Eine weitere Strategie besteht darin, bei dendritischen Zellen die Antigenexpression, -verarbeitung und -präsentation zu steigern. Dies ist mit einer Technik namens „Codonoptimierung“ möglich. Dabei werden selten verwendete Codons durch häufig verwendete ersetzt. So wird die Antigen-Gensequenz verändert und die Translation des DNA-Impfstoffs in dendritischen Zellen erhöht. Translation ist die unter Kontrolle der mRNA stattfindende Polypeptidsynthese. Wird das Antigen an ein Protein gebunden, das auf den Proteasomabbau oder das endoplasmatische Retikulum zielt, erhöht dies außerdem die MHC-1-Antigenpräsentation und damit die Antwort zytotoxischer T-Lymphozyten (CTL). Beispielsweise wurde gezeigt, dass ein Impfstoff mit E7, das an Calreticulin (CRT), ein die MHC-1-Antigenpräsentation steigerndes Protein, gebunden ist, die E-7-spezifische CD8-T-Zell-Antwort erhöht und gegen E7-exprimierende Tumoren wirksam ist.

Eine weitere Technik ist die Anwendung der „MHC-1-Einzelketten-Trimer-Technik (SCT)“. Sie verhindert die Antigenverarbeitung und ermöglicht die MHC-1-Präsentation des durch den DNA-Impfstoff codierten Peptids.

Die letzte Strategie zur Steigerung der Wirksamkeit von DNA-Impfstoffen ist, die Wechselwirkung zwischen dendritischen Zellen und T-Zellen zu verstärken. Nach der Verarbeitung und Präsentation eines Antigens ist die Wechselwirkung zwischen dendritischen Zellen und T-Zellen für die T-Zell-Aktivierung sehr wichtig. Nach der Vorbereitungsphase, dem Priming, werden dendritische Zellen zu Zielzellen aktivierter Effektor-T-Zellen. Um diese durch T-Zellen vermittelte Apoptose dendritischer Zellen zu verhindern, kann die DNA antiapoptotische Proteine codieren, die das Leben dendritischer Zellen verlängern. In einer Studie an Mäusen wurde gezeigt, dass ein Impfstoff, bei dem E7-codierende DNA gemeinsam mit DNA für antiapoptotische Proteine wie Bcl-2 verabreicht wurde, die E7-spezifische T-Zell-Antwort steigerte. DNA-Impfstoffe erhöhen außerdem die Antigenpräsentation, indem sie die Lebensdauer dendritischer Zellen verlängern.

RNA-Replikon-Impfstoffe

Die Genomeinheit, in der die Replikation stattfindet, wird als Replikon bezeichnet. RNA-Replikons sind nackte RNA-Moleküle, die sich in transfizierten Zellen vermehren können. Sie können aus Alphaviren oder Semliki forest-Viren gewonnen werden. RNA-replikonbasierte Vektoren haben viele Vorteile für die Entwicklung von Krebsimpfstoffen. Sie können beispielsweise in sehr unterschiedlichen Zellarten replizieren und für eine kontinuierliche Antigenpräsentation in den Zellen eingesetzt werden. Deshalb lassen sie sich als immunogener als herkömmliche DNA-Impfstoffe bezeichnen. Viele Replikons enthalten keine viralen Gene, sodass keine infektiösen Partikel entstehen und die Immunantwort gegen den Replikonvektor begrenzt bleibt. Daher können RNA-Replikon-Impfstoffe bei denselben Personen wiederholt verwendet werden. Außerdem vermindern sie das mit DNA-Impfstoffen verbundene Risiko einer chromosomalen Integration. Sie sind jedoch weniger stabil als DNA-Impfstoffe. Als Alternative aus der Kombination der Vorteile von RNA-Replikon-Molekülen und DNA-Impfstoffen entstand das DNA-launched RNA-Replikon. Dieses Molekül wurde „suisidal DNA“ genannt. In präklinischen Studien zur Entwicklung eines HPV-Impfstoffs wurde suicidal DNA eingesetzt. In der transfizierten Zelle wurde suicidal DNA in RNA umgewandelt und ermöglichte eine wirksame Expression des Tumorantigens.

Eine weitere Strategie bei Replikons ist die „Kunjin-Methode (KUN)“. Zur Verteilung der Replikons wird dabei das Flavivirus Kunjin verwendet. In einer Studie an Mäusen, die mit HPV-16 E7-exprimierenden KUN-Replikons geimpft wurden, wurden eine spezifische T-Zell-Antwort ausgelöst und die Mäuse vor tumoröser Veränderung geschützt. Obwohl RNA-Replikon-Moleküle viele Vorteile haben, sind klinische Studien und verfügbare Daten zu RNA-replikonbasierten Impfstoffen begrenzt. Deshalb müssen weitere Studien untersucht werden.

4. Ganzzellbasierte Impfstoffe

Dendritische zellbasierte Impfstoffe

Die Verwendung dendritischer Zellen ist eine weitere sinnvolle Strategie zur Entwicklung von Impfstoffen gegen HPV. Dafür müssen dendritische Zellen mit viralen Antigenen beladen werden. Sie können ex-vivo, also außerhalb eines lebenden Organismus, durch physische Übertragung von MHC-1- und 2-Molekülen vorbereitet werden. Die Antigenbeladung kann durch Peptid- oder Proteinantigene oder durch die Übertragung eines für HPV-Antigene codierenden DNA-/RNA-Moleküls erfolgen. Obwohl wirksame Impfstoffe mit autologen dendritischen Zellen entwickelt wurden, ist die Herstellung individualisierter Impfstoffe schwierig. Auch die zur Vorbereitung dendritischer Zellen verwendete Kulturtechnik beeinflusst die Qualität des Impfstoffs.

Zur Steigerung der Wirksamkeit dendritischer Zellimpfstoffe wurden mehrere Methoden vorgeschlagen. Dazu gehört die bereits beschriebene Verlängerung der Lebensdauer dendritischer Zellen. In einer Studie wurden beispielsweise E7-beladene dendritische Zellen getestet, die mit kleiner interferierender RNA (siRNA) gegen proapoptotische Proteine wie Bak und Bax infiziert waren. Dabei wurden die Proteine Bak und Bax in den dendritischen Zellen gehemmt und damit die Widerstandsfähigkeit gegen T-Zell-vermittelte Apoptose erhöht.

Klinische Studien zu dendritischen Zellimpfstoffen laufen weiter. In einer klinischen Studie wurden einer Person mit metastasiertem Gebärmutterhalskrebs dendritische Zellen, die mit HPV-18 E7 beladen waren, subkutan injiziert. Anschließend wurde eine Hemmung des Tumorfortschreitens beobachtet. Obwohl keine vollständige Remission, also Rückbildung, eintrat, verbesserte sich der Gesundheitszustand, und es wurden keine Nebenwirkungen beobachtet.

Tumorzellbasierte Impfstoffe

Der 2. Ansatz bei der Entwicklung ganzzellbasierter Impfstoffe ist die Verwendung von Tumorzellen. Um ihre immunogene Wirkung zu steigern, können Tumorzellen Ex-vivo, also außerhalb eines lebenden Organismus, angeregt werden, immunmodulierende Proteine wie Zytokine zu produzieren. In solchen Impfstoffen werden Zytokingene wie IL-2, IL-12 und GM-CSF eingesetzt. Ein Vorteil besteht darin, dass Tumorantigene nicht eindeutig definiert werden können und sie leicht herzustellen sind.

Tumorzellbasierte Impfstoffe werden in präklinischen Modellen getestet. Bei einer Impfung an Mäusen mit GM-CSF-produzierenden E7-positiven Tumorzellen wurde beispielsweise gezeigt, dass der Impfstoff eine E7-spezifische T-Zell-Antwort einleitete und die antitumorale Wirkung erhöhte.

Diese Impfstofftypen bergen jedoch auch das Risiko, neue Krebserkrankungen hervorzurufen. Deshalb ist die Entwicklung tumorzellbasierter Impfstoffe begrenzt.