Dendritische Zellen sind zentrale Regulatoren des Immunsystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Initiierung und Steuerung von Immunantworten. Sie sind in fast allen Geweben des Körpers vorhanden und bilden ein dichtes Netzwerk von Wächterzellen. Ihre Fähigkeit, Antigene zu erkennen, aufzunehmen und T-Zellen zu präsentieren, macht sie zu einem vielversprechenden Ziel für die Entwicklung von Immuntherapien, insbesondere im Bereich der Krebsbekämpfung. Dendritische Zellen verdanken ihren Namen den unzähligen Verzweigungen ihrer Oberfläche.
Dendritische Zellen: Die Wächter des Immunsystems
Dendritische Zellen (DZ) sind hochspezialisierte Zellen des Immunsystems, die eine Schlüsselrolle bei der Initiierung und Regulation von Immunantworten spielen. Sie patrouillieren durch den Körper, nehmen Antigene auf und präsentieren diese den T-Zellen, wodurch eine spezifische Immunantwort ausgelöst werden kann.
Entdeckung und Vorkommen
Dendritische Zellen wurden erstmals 1973 von Steinman und Cohn in der Milz von Mäusen beschrieben. Sie erkannten anhand des charakteristischen mikroskopischen Erscheinungsbilds mit zahlreichen astförmigen Ausläufern die Einzigartigkeit dieser Zellen. Mitte der 80er-Jahre wurde erkannt, 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.
Funktion der dendritischen Zellen
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.
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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.
Subpopulationen von dendritischen Zellen
In den letzten Jahren stellte sich heraus, dass dendritische Zellen aus verschiedenen Untergruppen zusammengesetzt sind, die sich teils deutlich in ihren Funktionen unterscheiden. Ein Team um Dr. Lukas Heger und Prof. Dr. Diana Dudziak vom Uniklinikum Erlangen nachweisen konnten, dass die Zellpopulation der cDC1 eine heterogene Mischung aus verschiedenen Reifungsstadien darstellt. Die Daten zeigen weiterhin, dass die unreifen dendritischen Zellen durch bestimmte Wachstumsfaktoren zu cDC1 mit vollen Effektorfunktionen differenziert werden können. Da die cDC1 in allen in der Studie untersuchten Geweben eine Mischung aus Vorläufer- und Effektorzellen darstellten, scheint dieser Differenzierungsvorgang ein ständig stattfindender Prozess im Körper zu sein, der von Erregern sowie von Tumorzellen negativ beeinflusst werden könnte.
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 in der Tumortherapie
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.
Tumorvakzinierung mit dendritischen Zellen
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.
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Generierung dendritischer Zellen für die Immuntherapie
Dendritische Zellen leiten sich von hämatopoetischen Vorläuferzellen im Knochenmark ab. 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 für eine verstärkte Immunantwort
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 dendritischen 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 Notwendigkeit…
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Herausforderungen und zukünftige Forschung
Obwohl die Forschung an dendritischen Zellen in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte gemacht hat, gibt es noch viele offene Fragen. Die Identifizierung spezifischer Tumorantigene, die Optimierung der Aktivierung und Reifung von dendritischen Zellen sowie die Entwicklung effizienter Verabreichungsmethoden sind entscheidend für die Verbesserung der Wirksamkeit von Tumorvakzinen. Zukünftige Forschung wird sich auch auf die Untersuchung der Interaktion von dendritischen Zellen mit anderen Immunzellen und die Entwicklung von Kombinationsstrategien konzentrieren, um das volle Potenzial der dendritischen Zellen in der Immuntherapie auszuschöpfen.
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