Dendritische Zelllinie: Schlüsselspieler der Immunabwehr und Hoffnungsträger der Immuntherapie

Das spezifische oder erworbene Immunsystem der Wirbeltiere stellt eine schlagkräftige Waffe gegen Krankheitserreger und krankhaft veränderte Körperzellen dar. Hierbei spielen die T-Zellen eine besondere Rolle, da sie nach Aktivierung virusinfizierte oder entartete Zielzellen präzise abtöten können. Entscheidend für diese Funktion ist die Erkennung von kleinen Eiweißbruchstücken, den sogenannten Antigenen, die ihnen von spezialisierten Immunzellen präsentiert werden - insbesondere von den hocheffizienten dendritischen Zellen.

Was sind dendritische Zellen?

Dendritische Zellen (DZ) sind ein essenzieller Bestandteil des Immunsystems und spielen eine Schlüsselrolle bei der Bekämpfung von Virusinfektionen und entarteten Körperzellen. Erstmals beschrieben wurden sie 1973 von Steinman und Cohn in der Milz von Mäusen und erhielten ihren Namen aufgrund ihres charakteristischen mikroskopischen Erscheinungsbildes mit zahlreichen astförmigen Ausläufern (griechisch: dendros, deutsch: Baum). Mitte der 80er-Jahre erkannte man, dass dendritische Zellen und die bereits vor hundert Jahren von Langerhans entdeckten und nach ihm benannten Langerhans-Zellen einem gemeinsamen Zellsystem angehören. Dendritische Zellen wurden auch in anderen lymphatischen Organen sowie in nichtlymphatischem Geweben nachgewiesen.

Als Teil des angeborenen Immunsystems gehören dendritische Zellen zur ersten Verteidigungslinie des Körpers gegen Infektionen. Sie erkennen Krankheitserreger und koordinieren die Immunantwort.

Die Aufgaben der Dendritischen Zellen

Dendritische Zellen sind hochspezialisierte antigenpräsentierende Zellen. Sie können antigenspezifische Immunantworten initiieren und regulieren. Die Expression einer großen Zahl von MHC- (major histocompatibility complex) Molekülen der Klasse I und II legte nahe, dass es sich bei dendritischen Zellen um spezialisierte antigenpräsentierende Zellen handelt. Erst durch die Isolation und Kultur von dendritischen Zellen aus dem peripheren Blut ist es gelungen, die einzigartige Funktion diesen Zelltyps zu erfassen, die darin besteht, antigenspezifische Immunantworten zu initiieren und zu regulieren.

Ihre Hauptfunktion besteht darin, eine Immunantwort auszulösen, indem sie Eiweißbruchstücke - beispielsweise von Viren - den T-Zellen präsentieren und diese dadurch aktivieren, die präsentierten Proteinfragmente als fremd zu erkennen. Ermöglicht wird dieser Vorgang innerhalb der dendritischen Zelle durch bestimmte Membranproteine, die MHC-I-Moleküle. Wie alle Oberflächenproteine werden auch MHC-I-Moleküle noch während ihrer Synthese in die Membran des innerzellulären Endoplasmatischen Retikulums (ER) eingebaut, einem System aus Röhren und Taschen innerhalb der Zelle. Aus dem Endoplasmatischen Retikulum schnüren sich kleine Bläschen (Vesikel) mit den beladenen MHC-I-Molekülen ab, wandern zur Zellmembran und verschmelzen mit ihr, sodass sie an der Zelloberfläche erscheinen und mit den T-Zellen interagieren können.

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Im Einzelnen lassen sich folgende Eigenschaften dendritischer Zellen hervorheben:

• Antigenaufnahme: Dendritische Zellen bilden in nahezu allen Geweben des Körpers ein dichtes Netzwerk von Wächterzellen, die extrazelluläre Bestandteile durch Prozesse wie Phagozytose und Endozytose aufnehmen und somit ihre Umgebung „analysieren“. Aufgenommene Proteine werden intrazellulär zu Peptiden zerlegt, an MHC-Moleküle gebunden und an die Zelloberfläche transportiert. Antigene Determinanten der Peptide werden somit für T-Lymphozyten erkennbar gemacht. Im Rahmen der physiologischen Zellerneuerung verlassen dendritische Zellen das periphere Gewebe und wandern mit der drainierenden Lymphe in einen regionalen Lymphknoten, wo sie mit T-Zellen interagieren. Aus intaktem Gewebe erreichen dendritische Zellen den Lymphknoten im nichtaktivierten Zustand. Diese nichtaktivierten dendritischen Zellen tragen zur Toleranz gegenüber dem präsentierten Antigen bei. Auf diese Weise verhindern dendritische Zellen möglicherweise das Auftreten von pathologischen Autoimmunprozessen.
• Aktivierung und Reifung: Ein funktionierendes Überwachungssystem zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, schädigende Prozesse schnell und spezifisch zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Zu diesem Zweck tragen dendritische Zellen auf ihrer Oberfläche Rezeptoren für eine Vielzahl von „Gefahrensignalen“, die von Mikroorganismen, körpereigenen freigesetzten Mediatoren oder aktivierten T-Zellen ausgehen können. Beispiele für mikrobielle Strukturen, die dendritische Zellen aktivieren, sind Lipopolysaccharide gram-negativer Bakterien, Cytidin-Guanosin-Dinukleotid- (CpG-)reiche bakterielle DNA und virale Doppelstrang-RNA. Endogene Mediatoren, für die dendritische Zellen spezifische Rezeptoren besitzen und von denen ein Aktivierungssignal ausgeht, sind Zytokine, Prostanoide und Adeninnukleotide. Aktivierte T-Zellen können durch den in ihre Zellmembran integrierten CD40-Liganden dendritische Zellen stimulieren. Die Aktivierung dieser verschiedenen Rezeptoren induziert wesentliche zellbiologische Veränderungen, die mit dem Begriff „Reifung“ zusammengefasst werden. Die Fähigkeit zur Phagozytose geht verloren. An MHC-Moleküle gebundene Peptide werden in höherer Dichte und mit größerer Stabilität präsentiert. Die Zytoskelettstruktur wird neu organisiert, und eine veränderte Expression von Chemokin-Rezeptoren ermöglicht den dendritischen Zellen, vom Entzündungsgebiet in den drainierenden Lymphknoten zu gelangen. Kostimulatorische Moleküle auf der Oberfläche dendritischer Zellen und die Freisetzung von Zytokinen, wie zum Beispiel Interleukin-12, erlauben den dendritischen Zellen schließlich eine effiziente Interaktion mit T-Zellen. Grafik 1 zeigt schematisch die verschiedenen Funktionszustände, die eine dendritische Zelle durchläuft.
• Induktion einer Immunantwort: Im Lymphknoten interagieren dendritische Zellen mit verschiedenen Lymphozytenpopulationen. Vor allem T-Lymphozyten, die bisher noch keinen Antigenkontakt hatten, tasten die Zelloberfläche von dendritischen Zellen ab und werden aktiviert, falls es zu einer Erkennung des präsentierten Antigens durch den T-Zell-Rezeptor kommt. Dieser für die erworbene (antigenspezifische) Immunantwort zentrale Vorgang betrifft sowohl CD4-T-Zellen (der Vorstufe von Helferzellen) als auch CD8-T-Zellen und wird als „Priming“ bezeichnet. Aus CD8-Zellen entwickeln sich zytotoxische T-Lymphozyten die befähigt sind, diejenigen Zellen, die sie mit ihren T-Zell-Rezeptoren erkennen, zu eliminieren. Das Immunsystem benötigt jedoch diverse Strategien um verschiedenen Gruppen von Erregern, die den Organismus bedrohen, effektiv zu begegnen. Intrazelluläre Erreger führen zu einer Differenzierung von CD4-T-Zellen zu T-Helfer-Zellen-1 (Th1), die überwiegend Interferon-g produzieren. Bei der Abwehr von extrazellulären Organismen, wie zum Beispiel Helminthen, werden hingegen Th2-Zellen zur Produktion von Interleukin-4, -5 und -10 veranlasst. In-vitro- und In-vivo-Untersuchungen legen nahe, dass dendritische Zellen die Richtung der T-Zell-Differenzierung steuern und somit zur Plastizität der Immunantwort beitragen, die für die Induktion einer für das Pathogen geeigneten Immunantwort benötigt wird.

Dendritische Zellen in der Krebstherapie

Die „Scharfmacher-Funktion“ dendritischer Zellen macht sie zu einem Hoffnungsträger der personalisierten Immuntherapie. Dendritische Zellen haben im Immunsystem eine zentrale Funktion: die Erkennung fremder oder bösartiger Strukturen und die Einleitung einer gezielten Immunabwehr gegen diese. Inzwischen ist es möglich, im Labor für Krebspatienten aus ihren Monozyten eigene dendritische Zellen zu generieren. Im Labor werden sie mit Informationen über die Eigenschaften des Tumors und mit Gefahrensignalen „beladen“ und dem Patienten als Impfung verabreicht.

Tumorvakzinierung mit dendritischen Zellen

Tumorzellen exprimieren spezifische Proteine, die von T-Zellen als antigene Determinanten erkannt werden können. In der Regel reicht dies jedoch nicht aus, damit das Immunsystem eine effektive Immunantwort gegen Tumorzellen generiert; vielmehr besteht eine Toleranz. Dies liegt zum einen daran, dass tumorassoziierte Antigene in geringer Dichte oft auch im gesunden Gewebe vorkommen; zum anderen verfügen Tumorzellen über zahlreiche Strategien, einer Immunantwort zu entgehen.

In einer Reihe von Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass diese Toleranz gegenüber Tumoren durch eine Vakzinierung mit dendritischen Zellen durchbrochen werden kann. Dies führte zur Testung von dendritischen Zellen in klinischen Phase-I- und -II-Studien, in denen die prinzipielle Wirksamkeit bezüglich immunologischer und - in Einzelfällen - klinischer Endpunkte belegt werden konnte. Nach dem Gelingen dieses „proof of principle“ konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Verbesserung der Wirksamkeit von Tumorvakzinen mit dendritischen Zellen. Die im Folgenden dargestellten Aspekte spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Entwicklung und klinische Anwendung

Obwohl seit der Entdeckung der Dendritischen Zellen wenig mehr als vier Jahrzehnte vergangen sind, werden sie weltweit intensiv beforscht. Die erste Marktzulassung einer Vakzination mit dendritischen Zellen wurde im Mai 2010 in den USA erteilt für das Präparat Sipuleucel-T (Provenge®) gegen Prostatakrebs. 2017 wurde auch in Indien ein autologer DC-Impfstoff (APCEDEN®) zugelassen für die Behandlung von vier Krebsindikationen (Prostatakrebs, Eierstockkrebs, kolorektales Karzinom und nichtkleinzelliges Lungenkarzinom). Auch für andere Krebsarten sind Zulassungen zu erwarten.

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Klinische Studien und Erfolge

Die Ergebnisse der ersten klinischen Studien am Menschen wurden bereits 1996 veröffentlicht. Im Jahr 2015 konnte eine Vakzinierung mit Dendritischen Zellen bei Patienten mit Glioblastom in Kombination mit einer Vorbehandlung der Injektionsstelle durch einer Tetanus/Diphterie-Impfung einen therapeutischen Durchbruch feiern, indem deutlich verlängerte Überlebensraten der Patienten erzielt werden konnten.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte

Die Forschung konzentriert sich aktuell auf die folgenden Aspekte, um die Effektivität von Tumorvakzinen mit dendritischen Zellen zu verbessern:

• Generierung dendritischer Zellen: Dendritische Zellen leiten sich von hämatopoetischen Vorläuferzellen im Knochenmark ab. Drei verschiedene Subpopulationen mit jeweils charakteristischen Merkmalen und Funktionen sind beim Menschen beschrieben: myeloide dendritische Zellen, plasmazytoide dendritische Zellen und Langerhans-Zellen der Haut. Für Tumorvakzinierungen sind vor allem myeloide dendritische Zellen interessant, da diese besonders zur Antigenaufnahme und-präsentation befähigt sind. Dendritische Zellen mit myeloiden Charakteristika können durch eine In-vitro-Kultur von Monozyten in Anwesenheit der Zytokine Interleukin-4 und Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (GM-CSF) gewonnen werden. Alternativ lassen sich dendritische Zellen aus CD34+-hämatopoetischen Stammzellen des peripheren Bluts generieren. Durch die systemische Verabreichung von Wachstumsfaktoren, wie zum Beispiel flt3-Ligand, können dendritische Zellen im Blut, die normalerweise nur etwa 0,1 bis 0,5 Prozent der mononukleären Zellen (Leukozyten ohne Granulozyten) ausmachen, um ein Vielfaches expandiert werden. Somit werden auch in vivo expandierte dendritische Zellen für Tumorvakzinierungen interessant. In klinischen Studien wurden alle drei Präparationen für myeloide dendritische Zellen erprobt, ein direkter Vergleich steht jedoch aus.
• Wahl der Tumorantigene: Die Identifizierung von Strukturen auf Tumorzellen, die von zytotoxischen T-Zellen als Antigene erkannt werden können, bildet die Grundlage von Tumorvakzinierungen mit dendritischen Zellen. Eine Vielzahl solcher Antigene (Peptide einer Länge von acht bis neun Aminosäuren, die sich auf spezifische Weise an MHC-Moleküle anlagern), die entweder spezifisch für Tumorzellen sind oder von diesen übermäßig stark exprimiert werden, wurden identifiziert. Für die Präsentation dieser Antigene durch dendritische Zellen genügt eine In-vitro-Inkubation der Zellen mit den Peptiden. Durch die Nutzung der Maschinerie von dendritischen Zellen zur Antigenaufnahme und -prozessierung können auch Tumorzellen als Antigenquelle verwendet werden. Infrage kommen abgetötete Tumorzellen, Tumorzelllysat die RNA oder DNA von Tumorzellen sowie Tumorzellfragmente, wie zum Beispiel Exosomen und apoptotische Körperchen. Auch Fusionszellen aus Tumorzellen und dendritischen Zellen wurden erprobt. Diese Ansätze bieten den Vorteil, dass sowohl bekannte als auch bislang unbekannte Tumorantigene für eine Immunantwort genutzt werden können. Andererseits fehlt für die differenzierte Untersuchung der induzierten Immunantwort die Kenntnis eines definierten Zielpeptids.
• Aktivierung dendritischer Zellen: Dendritische Zellen erlangen nach Aktivierung ihre volle Kapazität zur T-Zell-Stimulation. In den bisher veröffentlichten klinischen Studien wurden jedoch überwiegend unstimulierte dendritische Zellen eingesetzt. In einigen wenigen Studien wurden dendritische Zellen in vitro mit Zytokinen oder monozytenkonditioniertem Medium ausgereift. In laufenden Studien wird ein löslicher CD40-Ligand erprobt, der ebenfalls eine Ausreifung der dendritische Zellen induziert. Im Tiermodell konnte durch CpG-DNA die Effektivität einer auf dendritischen Zellen basierenden Tumorvakzine verbessert werden. Die Identifizierung von Stimuli, die eine optimale Ausreifung der dendritischen Zellen bei erhaltener Fähigkeit zur Migration in lymphatisches Gewebe gewährleisten, ist Gegenstand der aktuellen Forschung.
• Verabreichung der Vakzine: Unbekannt ist derzeit die optimale Anzahl der dendritischen Zellen, die für die Induktion einer Immunantwort benötigt wird. In den bisherigen Studien wurden zwischen 105 und 108 dendritische Zellen pro Vakzinierung eingesetzt. Es wurden auch unterschiedliche Applikationsrouten gewählt: Subkutan oder intrakutan gespritzte dendritische Zellen müssen für eine Interaktion mit T-Zellen in der Lage sein, einen drainierenden Lymphknoten aufzusuchen; durch die direkte intranodale Injektion, zum Beispiel in einen Leistenlymphknoten, soll die Notwendigkeit der Migration umgangen werden. Intravenös verabreichte dendritische Zellen reichern sich zunächst im Kapillargebiet der Lunge und der Leber an, bevor sie die Gelegenheit haben, lymphatisches Gewebe zu erreichen. Bei allen drei Applikationsarten sind Impferfolge erzielt worden. Über welche Route, wie oft und in welchen Abständen vakziniert werden soll, wird weiter untersucht.
• Monitoring der Immunantwort: Aufgabe des Immunmonitorings ist die qualitative und quantitative Charakterisierung der durch die Tumorvakzine induzierten Immunantwort. Dies erfordert eine Untersuchungsmethode mit hoher Sensitivität, Spezifität und Reliabilität. Diese Kriterien werden jedoch derzeit durch keine der zur Verfügung stehenden Methoden optimal erfüllt. Das einzige Verfahren, das eine Messung der Immunantwort in vivo erlaubt, ist der Intrakutantest (DTH-Reaktion). Dem Patienten wird vor und nach der Vakzinierung lösliches Tumorantigen intrakutan gespritzt. Die Größe der an der Injektionsstelle auftretenden Induration wird nach 48 Stunden gemessen. Die Haut wird dabei überwiegend durch T-Helferzellen und Monozyten infiltriert. Der eindeutige Nachweis der Spezifität der T-Zellen kann jedoch nur durch eine Hautbiopsie und Isolierung der T-Zellen erfolgen. Neben diesem einfachen In-vivo-Test existieren einige In-vitro-Verfahren zur Detektion der sehr seltenen tumorantigenspezifischen zytotoxischen T-Zellen im peripheren Blut. Ein funktioneller Test ist die limiting dilution analysis, bei der die Frequenz der zytotoxischen T-Zellen durch die spezifische Lyse von Zielzellen bestimmt wird. Die Notwendi…

Einblicke in aktuelle Forschungsergebnisse

Dendritische Zellen sind wichtige Zellen zur Steuerung von Immunantworten: Sie patrouillieren in allen Geweben des Körpers und nehmen dort Eindringlinge, wie Viren und Bakterien, auf und lösen daraufhin eine an den Erreger angepasste Immunantwort aus. Ein Forschungsteam unter Federführung des Uniklinikums Erlangen und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) konnte nun zeigen, dass dendritische Zellen einen bestimmten Reifungsschritt machen müssen, um besonders effektive Immunantworten hervorrufen zu können.

Die Zellen des Immunsystems zirkulieren vor allem im Blut und wandern nach einer Entzündung in die Gewebe des Körpers ein. Für die langlebigen Makrophagen (Fresszellen) ist die Antwort schon bekannt: Sie siedeln sich in sogenannten Nischen an. Diese Immunzellen sind für die Steuerung von Immunantworten essenziell, weil sie an der ersten Abwehrlinie des Immunsystems stehen: Sie erkennen körperfremde Strukturen, nehmen sie auf und verarbeiten sie zu einer Art Fahndungsfoto. Das Besondere an den dendritischen Zellen: Sie leben nur etwa eine Woche und wandern in dieser Zeit kontinuierlich durch die Gewebe des Körpers.

Ein internationales Team um Professorin Barbara Schraml hat nun einen neuen Typ dendritischer Zellen umfassend untersucht und deren wichtige Rolle für die Immunreaktion aufgedeckt. Wie die Forschenden zeigen, kommen dendritische Zellen, die sich durch die Expression des Transkriptionsfaktors RORγt auszeichnen - sogenannte RORγt+ dendritische Zellen (DCs) -, in vielen Geweben vor. Zudem sind sie im Lauf der Evolution über viele Arten hinweg erhalten geblieben, was darauf hindeutet, dass sie essenzielle Funktionen haben.

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GlioVax-Studie

Gegenwärtig prüfen wir in Zusammenarbeit mit der Neurochirurgischen Klinik (Prof. M. Sabel) in einer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten klinischen Studie (GlioVax - Studiennummer NCT03395587 / DRKS00013248) die Wirksamkeit einer solchen Dendritischen Zellvakzine bei Patienten mit neudiagnostiziertem Glioblastom. Eine detaillierte Beschreibung des Studienprotokolls finden Sie in Rapp et al.

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