Immuntoxin

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Schematische Darstellung der Endozytose eines Immuntoxins in einer Krebszelle.

Immuntoxine,auch alsImmunotoxinebezeichnet, sindImmunkonjugate,die aus einerzellbindendenKomponente und einemToxinbestehen. Immuntoxine sind potenzielle Arzneistoffe, die vor allem in derOnkologiezurBehandlungvonKrebserkrankungeneingesetzt werden sollen (Krebsimmuntherapie).

Aufbau und Synthese

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Immuntoxine sind aus zwei Komponenten aufgebaut. Eine Komponente ist dabei ein möglichst selektiv an Krebszellen bindendes Trägermolekül. Dies ist in den meisten Fällen einmonoklonaler Antikörperoder ein Fragment eines monoklonalen Antikörpers oder ein entsprechendes Antikörper-Mimetikum.Das Trägermolekül dient zum einen alsLigandzur Anbindung an die Zielstruktur (Target) auf derZellmembraneiner Krebszelle. Der Ligand leitet sich definitionsgemäß aus dem Immunsystem ab.[1]Als Zielstrukturen dienen im WesentlichenTumorantigeneoder tumorspezifische Rezeptoren, das heißt Proteine oderGlycoproteine,die idealisiert nur von Krebszellen an ihrer Zelloberfläche präsentiert (exprimiert) werden. Die andere Funktion des Trägermoleküls ist die Anbindung eines Toxins – der zweiten Komponente eines Immunotoxins. Toxine sindhochtoxischeVerbindungen pflanzlichen oder bakteriellen Ursprungs. Für die Immuntoxine werden fast ausschließlich Toxine auf Proteinbasis verwendet. Bei den ersten Immuntoxinen wurden Antikörper und Toxin getrennt synthetisiert und dann über chemischeLinkermiteinander verbunden. Mittlerweile werden Immuntoxine vollständigrekombinant,das heißt mit Hilfe vongentechnischveränderten Mikroorganismen, hergestellt (Fusionsproteine).[2] Auf diese Weise können auch Immuntoxine hergestellt werden, die nur aus der Bindungsdomäne des Antikörpers und einem aktiven Abschnitt des Toxins bestehen.[3][4]

Als Toxine kommen pflanzliche Toxine, wie beispielsweiseRizin,[5]Saporin(ein Toxin dasRibosomendeaktiviert),[6][7]Bryodin 1[8][9](ein ebenfalls Ribosomen deaktivierendes Toxin derRotfrüchtigen Zaunrübe(Bryonia dioica)),Bouganin(ein Toxin von derArtBougainvillea spectabilisaus derGattungderBougainvillea),[10]Gelonin(ein Toxin ausGelonium multiflorum)[11]oderpokeweed antiviral protein(PAP,American Pokeweed=Amerikanische Kermesbeere=Phytolacca americana),[12]sowie bakterielle Toxine, wie zum BeispielDiphtherietoxin,[13][14][15]Listeriolysin O[16],Exotoxin A(Pseudomonas-Exotoxin)[17][18]oderAnthraxtoxin[19],zur Anwendung.[3]

Mittlerweile kommen überwiegend bakterielle Toxine, beziehungsweise deren Toxinabschnitte, zum Einsatz. Dies liegt unter anderem an der teilweise ungünstigen enzymatischen Verarbeitung und Freisetzung dieser Immuntoxine im Lysosom sowie dem Übergang zu rekombinant hergestellten Immuntoxinen.[20] Wird der zellbindende Bereich des Toxins aus dem entsprechendenGen,das für das Toxinkodiertdeletiert,so kann die Anwendungssicherheit des Immuntoxins erhöht werden. So sind weitgehend nur die über das Trägermolekül aufgenommenen Toxine in der Zelle wirksam. Freie Toxine, die beispielsweise enzymatisch vom Trägermolekül abgespalten wurden, dagegen nicht.[4]Prinzipiell können auch mehrere Toxinmoleküle an einen Antikörper gebunden werden.[21]

Wirkungsprinzip

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Über den Liganden (Antikörper, Antikörperfragment oder Antikörper-Mimetikum) bindet das Immuntoxin bevorzugt an die Zellen, die den entsprechenden Rezeptor, beispielsweise ein Tumorantigen, an ihrer Oberfläche exprimieren. Dabei bildet sich einImmunkomplexaus Ligand und Rezeptor (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Das Immuntoxin wird von der Zelle, an deren Oberfläche es gebunden ist, mittels rezeptorvermittelterEndozytoseinternalisiert und imLysosomzerlegt. Dabei wird das Toxin freigesetzt und kann seine Wirkung entfalten. Die Wirkung ist toxinabhängig. Einige Toxine zerstören die Zellmembran, andere deaktivieren die Ribosomen oder ähnlich essentielle Proteine imZytosol.[22]Durch die Schädigung der Zelle wird dieApoptose(programmierter Zelltod) ausgelöst. Bei katalytisch wirkenden Toxinen, wie beispielsweise dem Diphtherietoxin, genügt in vielen Fällen ein einziges Molekül[23]in einer Zelle, um sie abzutöten.[24]

Status der Entwicklung

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Die ersten Konzepte für Immuntoxine stammen bereits aus den frühen 1980er Jahren.[25]Eine Reihe von Immuntoxinen befindet sich derzeit in der klinischen Erprobung.[16]Momentan ist kein auf einem Antikörper basierendes Immuntoxin als Arzneimittel zugelassen. Die wesentlichen Probleme liegen in der kurzen Plasmahalbwertszeit der aktuell getesteten Immuntoxine und der damit verbundenen schnellen Ausscheidung aus dem Körper[26]sowie weiterenim nächsten Absatzbeschriebenen Ursachen.

MitDenileukin Diftitoxwurde 1999 in den Vereinigten Staaten das erste Immuntoxin von derFDAzur Therapie vontherapierefraktärenPatienten mit kutanemT-Zell-Lymphomzugelassen. Es besteht nicht aus einem Antikörper, sondern ausInterleukin-2,an das das Diphtherietoxin gebunden ist. Das Interleukin-2 bindet dabei an den Interleukin-2-Rezeptor, der im Wesentlichen vonT-Lymphozytenexprimiert wird – so auch von den malignen T-Lymphozyten.[27][28]In Europa ist Denileukin Diftitox als Arzneimittel nicht zugelassen.[29]

Limitierungen und Potenziale

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Die besten Ergebnisse in klinischen Studien wurden bisher beihämatologischenKrebserkrankungen – im Wesentlichen bei T-Zell-Lymphome und Leukämien – erzielt.[30][31]Bei anderen Krebserkrankungen, insbesondere bei soliden Tumoren, sind die Ergebnisse bisher eher enttäuschend. Die Nebenwirkungen waren in vielen Fällen, bedingt durch eine zu hohe Anbindung auch an gesundes Gewebe, erheblich. Die Ursache lag hierbei in einer zu geringe Spezifität gegenüber Krebszellen.[22]Von den gesunden Körperzellen werden dadurch vor allem die Zellen derLeberund derNierengeschädigt.[32]Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung von bispezifischen Immuntoxinen. Dabei werdenscFv-Fragmentemit zwei unterschiedlichen Liganden mit einem einzelnen Toxin verbunden, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der Bindung an eine Krebszelle erhöht.[23][22] Eine sehr häufige Nebenwirkung bei den Immuntoxinen der ersten Generation, auf der Basis von Rizin, ist das systemischeKapillarlecksyndrom(engl.vaskular leakage syndrome,VLS), das letztlich die Dosis des Immuntoxins limitiert.[33][3]Bei bakteriellen Toxinabschnitten ist dieses Problem nicht gegeben.[20]Mittlerweile stehen modifizierte Rizinsequenzen zur Verfügung, bei denen diese Nebenwirkung weitgehend ausgeschaltet ist.[34]

Eine weitere Schwierigkeit ist die schlechte Tumorpenetration der Immuntoxine. Die rekombinant hergestellten Immuntoxine zeigen dabei einige Vorteile gegenüber den chemisch gekoppelten Immuntoxinen.[35]Durch Verkleinerung des Liganden, beispielsweise durch Verwendung vonFab- oder scFv-Fragmenten, die ein höheres Penetrationsvermögen in das Gewebe besitzen[36],kann dieses Problem zum Teil überwunden werden.[37]Auch eine Verkleinerung des Toxins, durch Deletion von weniger aktiven Bereichen ist möglich.[23][20]

Bei vielen Patienten bildet sich eineImmunantwortgegen die Immuntoxine, da sie beispielsweise schon früher Antikörper gegen die in der Natur frei vorkommenden Toxine gebildet haben. Manche Toxine werden in den Krebszellen im Lysosom enzymatisch abgebaut und bleiben dann in der Zelle ohne Wirkung.[19]

Trotz dieser Einschränkungen und Probleme wird Immuntoxinen – auch bei soliden Tumoren – ein hohes therapeutisches Potenzial bescheinigt. Während beispielsweise bei der konventionellen Chemotherapienekrotischeruhende Bereiche eines Tumors häufig nicht auf die Therapie ansprechen, beziehungsweise Resistenzen entwickelt haben, können Immuntoxine auch dort die Apoptose auslösen.[38]Auch in wirkstoffresistenten Zellen (Multiple Drug Resistance) können Immuntoxine die Apoptose auslösen.[39][40][41][42][32]

Weiterführende Literatur

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Fachbücher

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  • C. Huber (Herausgeber) u. a.:Krebsimmuntherapien.Deutscher Ärzteverlag, 2007,ISBN 3-7691-1212-1.
  • W. A. Hall:Immunotoxin methods and protocols.Humana Press, 2000,ISBN 0-89603-775-4.
  • K. Kawakami u. a.:Cytotoxins and immunotoxins for cancer therapy.Routledge Chapman&Hall, 2004,ISBN 0-415-26365-4.
  • M. L. Grossbard:Monoclonal antibody-based therapy of cancer.Informa Healthcare, 1998,ISBN 0-8247-0196-8.
  • M. Welschof und J. Krauss:Recombinant antibodies for cancer therapy.Verlag Springer, 2002,ISBN 0-89603-918-8.
  • G. T. Hermanson:Bioconjugate techniques.Academic Press, 2008,ISBN 0-12-370501-0.

Review-Artikel

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Fachartikel

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  • S. Barth u. a.:Immuntoxine – Wirkungsweise und Einsatz bei malignen Erkrankungen.In:Der Internist38, 1997, S. 1063–1069.PMID 9453955doi:10.1007/s001080050118
  • M. Mathew, R. S. Verma:Humanized immunotoxins: a new generation of immunotoxins for targeted cancer therapyIn:Cancer Sci.100, 2009, S. 1359–1365PMID 19459847(Review)
  • A. E. Frankel:New anti-T cell immunotoxins for the clinic.In:Leukemia Research29, 2005, S. 249–251.PMID 15661259

Dissertationen

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Einzelnachweise

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  1. ↑R. J. Kreitmann:Recombinant immunotoxins containing truncated bacterial toxins for the treatment of hematologic malignancies.In:BioDrugs23, 2009, S. 1–13.PMID 19344187doi:10.2165/00063030-200923010-00001(Review).
  2. ↑S. R. Schmidt:Fusion-proteins as biopharmaceuticals -applications and challenges.In:Curr Opin Drug Discov Devel12, 2009, S. 284–295.PMID 19333874(Review).
  3. ↑abcM. Mathew, R. S. Verma:Humanized immunotoxins: a new generation of immunotoxins for targeted cancer therapyIn:Cancer Sci.100, 2009, S. 1359–1365PMID 19459847(Review).
  4. ↑abT. Lich u. a.:Behandlung von fortgeschrittenen Magenkarzinomen mit rekombinanten Immuntoxinen.In:Journal Onkologie4, 2004.
  5. ↑A. E. Frankel u. a.:Therapy of patients with T-cell lymphomas and leukemias using an anti-CD7 monoclonal antibody-ricin A chain immunotoxin.In:Leukemia & Lymphoma26, 1997, S. 287–298.PMID 9322891
  6. ↑M. J. Glennie u. a.:Emergence of immunoglobulin variants following treatment of a B cell leukemia with an immunotoxin composed of antiidiotypic antibody and saporin.In:J Exp Med166, 1987, S. 43–62.PMID 3110351
  7. ↑D. J. Flavell:Saporin immunotoxins.In:Curr Top Microbiol Immunol234, 1998, S. 57–61.PMID 9670612(Review)
  8. ↑F. Stirpe u. a.:Selective cytotoxic activity of immunotoxins composed of a monoclonal anti-Thy 1.1 antibody and the ribosome-inactivating proteins bryodin and momordin.In:Br J Cancer58, 1988, S. 558–561.PMID 3265330
  9. ↑J. A. Francisco u. a.:Construction, expression, and characterization of BD1-G28-5 sFv, a single-chain anti-CD40 immunotoxin containing the ribosome-inactivating protein bryodin 1.In:J Biol Chem272, 1997, S. 24165–24169.PMID 9305866
  10. ↑J. Cizeau u. a.:Engineering and biological characterization of VB6-845, an anti-EpCAM immunotoxin containing a T-cell epitope-depleted variant of the plant toxin bouganin.In:Journal of Immunotherapy32, 2009, S. 574–584.PMID 19483652
  11. ↑M. G. Rosenblum u. a.:Design, expression, purification, and characterization, in vitro and in vivo, of an antimelanoma single-chain Fv antibody fused to the toxin gelonin.In:Cancer Res63, 2003, S. 3995–4002.PMID 12873997
  12. ↑B. Jansen u. a.:Establishment of a human t(4;11) leukemia in severe combined immunodeficient mice and successful treatment using anti-CD19 (B43)-pokeweed antiviral protein immunotoxin.In:Cancer Res52, 1992, S. 406–412.PMID 1370213
  13. ↑A. E. Frankel u. a.:Anti-CD3 recombinant diphtheria immunotoxin therapy of cutaneous T cell lymphoma.In:Curr Drug Targets10, 2009, S. 104–109.PMID 19199905(Review)
  14. ↑S. Potala u. a.:Targeted therapy of cancer using diphtheria toxin-derived immunotoxins.In:Drug Discov Today13, 2008, S. 807–815.PMID 18678276(Review)
  15. ↑A. E. Frankel u. a.:Diphtheria toxin conjugate therapy of cancer.In:Cancer Chemother Biol Response Modif20, 2002, S. 301–313.PMID 12703211(Review)
  16. ↑abS. Bergelt u. a.:Listeriolysin O as cytotoxic component of an immunotoxin.In:Protein Sci18, 2009, S. 1210–1220.PMID 19472336
  17. ↑R. J. Kreitman:Chimeric fusion proteins - Pseudomonas exotoxin-based.In:Curr Opin Investig Drugs2, 2001, S. 1282–1293.PMID 11717817(Review)
  18. ↑I. Pastan:Immunotoxins containing Pseudomonas exotoxin A: a short history.In:Cancer Immunol Immunother52, 2003, S. 338–341.PMID 12700949(Review)
  19. ↑abA. E. Frankel u. a.:Anthrax fusion protein therapy of cancer.In:Curr Protein Pept Sci3, 2002, S. 399–407.PMID 12370003(Review)
  20. ↑abcI. Pastan u. a.:Immunotoxin therapy of cancer.In:Nat Rev Cancer6, 2006, S. 559–565.PMID 16794638(Review)
  21. ↑D. J. Flavell und S. U. Flavell:Comparison of immunotoxins bearing a single saporin molecule with multiple toxin conjugates.In:Methods Mol Biol166, 2001, S. 87–100.PMID 11217378(Review)
  22. ↑abcA. E. Frankel und J. H. Woo:Bispecific immunotoxins.In:Leuk Res33, 2009, S. 1173–1174.PMID 19406472
  23. ↑abcD. A. Vallera u. a.:Genetic alteration of a bispecific ligand-directed toxin targeting human CD19 and CD22 receptors resulting in improved efficacy against systemic B cell malignancy.In:Leuk Res33, 2009, S. 1233–1242.PMID 19327829
  24. ↑D. Scharma u. a.:Antibody targeted drugs as cancer therapeutics.In:Nat Rev Drug Discov5, 2006, S. 147–159.PMID 16424916(Review)
  25. ↑H. P. Zenner:Experimentelle Chemotherapie: Selektiv-toxische Antikörper-Toxin-Hybride gegen Larynxcarcinoinzellen.In:European Archives of Oto-Rhino-LaryngologyS. 406–409.doi:10.1007/BF00459857
  26. ↑X. Liu u. a.:Novel strategies to augment genetically delivered immunotoxin molecular therapy for cancer therapy.In:Cancer Gene Ther2009 [Epub ahead of print]PMID 19461676
  27. ↑F. Turturro:Denileukin diftitox: a biotherapeutic paradigm shift in the treatment of lymphoid-derived disorders.In:Expert Rev Anticancer Ther7, 2007, S. 11–17.PMID 17187516doi:10.1586/14737140.7.1.11
  28. ↑C. Huber (Herausgeber) u. a.:Krebsimmuntherapien.Deutscher Ärzteverlag, 2007,ISBN 3-7691-1212-1,S. 129
  29. ↑Mycosis fungoides.eingesehen am 9. Juli 2009
  30. ↑N. H. Dang u. a.:Phase II trial of denileukin diftitox for relapsed/refractory T-cell non-Hodgkin’s lymphoma.In:Br J Haematol136, 2007, S. 439–447.PMID 17233846
  31. ↑R. J. Kreitman u. a.:Phase I trial of recombinant immunotoxin RFB4(dsFv)-PE38 (BL22) in patients with B-cell malignancies.In:J Clin Oncol23, 2005, S. 6719–6729.PMID 16061911
  32. ↑abI. Heisler:Bedeutung spaltbarer Peptidlinker für die Funktion rekombinanter Saporin-EGF-Immunotoxine.Dissertation, FU Berlin, 2003
  33. ↑R. Baluna und E. S. Vitetta:Vascular leak syndrome: a side effect of immunotherapy.In:Immunopharmacology37, 1997, S. 117–132.PMID 9403331(Review)
  34. ↑J. E. Smallshaw u. a.:Genetic engineering of an immunotoxin to eliminate pulmonary vascular leak in mice.In:Nature Biotechnol21, 2003, S. 387–391.PMID 12627168
  35. ↑P. S. Multani u. a.:Phase II clinical trial of bolus infusion anti-B4 blocked ricin immunoconjugate in patients with relapsed B-cell non-Hodgkin's lymphoma.In:Clin Cancer Res4, 1998, S. 2599–2604.PMID 9829722
  36. ↑P. J. Hudson und C. Souriau:Engineered antibodies.In:Nat Med9, 2003, S. 129–134.PMID 12514726(Review)
  37. ↑A. E. Frankel u. a.:Targeted toxins.In:Clin Cancer Res6, 2000, S. 326–334.PMID 10690507(Review)
  38. ↑A. Keppler-Hafkemeyer u. a.:Apoptosis induced by immunotoxins used in the treatment of hematologic malignancies.In:Int J Cancer87, 2000, S. 86–94.PMID 10861457
  39. ↑D. J. FitzGerald u. a.:A monoclonal antibody-Pseudomonas toxin conjugate that specifically kills multidrug-resistant cells.In:PNAS84, 1987, S. 4288–4292.PMID 3495806
  40. ↑G. H. Mickisch u. a.:Pseudomonas exotoxin conjugated to monoclonal antibody MRK16 specifically kills multidrug resistant cells in cultured renal carcinomas and in MDR-transgenic mice.In:J Urol.149, 1993, S. 174–178.PMID 8417204
  41. ↑A. E. Frankel u. a.:Cell-specific modulation of drug resistance in acute myeloid leukemic blasts by diphtheria fusion toxin, DT388-GMCSF.In:Bioconjug Chem9, 1998, S. 490–496.PMID 9667951
  42. ↑J. P. Perentesis u. a.:Induction of apoptosis in multidrug-resistant and radiation-resistant acute myeloid leukemia cells by a recombinant fusion toxin directed against the human granulocyte macrophage colony-stimulating factor receptor.In:Clin Cancer Res3, 1997, S. 347–355.PMID 9815691
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