Fachthema

CAR-NK-Zellen in der Immunonkologie

Ergänzung und Alternative zu CAR-T-Zellen?

Jatros, 28.11.2019

Autor:
Andrea Quaiser
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI)
Leipzig
E-Mail: andrea.quaiser@izi.fraunhofer.de
Autor:
Prof. Ulrike Köhl
Universität Leipzig und Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie
Leipzig
Institut für Zelltherapeutika
Medizinische Hochschule Hannover
E-Mail: ulrike.koehl@izi.fraunhofer.de

Onkologie

Die weltweiten Erfolge in der Immunonkologie mit autologen CAR(chimärer Antigen- Rezeptor)-T-Zellen verlangen aufgrund einiger Limitationen nach Optimierungen und alternativen Therapieoptionen. Allogene, gerichtete CAR-exprimierende NK-Zellen als „Off the shelf“-Therapie in der Behandlung maligner Erkrankungen könnten diese Möglichkeit bieten und werden derzeit in ersten Studien getestet.

Keypoints

  • Allogene CAR-NK-Zellen können eine Option für stark vorbehandelte Patienten im fortgeschrittenen Krankheitsstadium sein, wenn CAR-T-Zellen nicht zur Verfügung stehen.
  • Die Kombination von CAR-NK-Zellen und Immuncheckpoint- Inhibitoren sollte Gegenstand der Forschung werden.
  • Welche Rolle CAR-NK-Zellen spielen werden, müssen große klinische Studien zeigen.

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) machen 8 bis 15 % der Lymphozyten aus und sind als Teil des angeborenen Immunsystems für die Abwehr von virusinfizierten und entarteten Zellen essenziell.
Die Erkennung und die Zerstörung von Targets laufen unabhängig von einer MHC-I( major histocompatibility complex)-Restriktion ab. Zellen, welche keine oder nur wenige MHC-I-Moleküle auf ihrer Zellmembran exprimieren, werden entsprechend eliminiert.1 NK-Zellen verfügen über verschiedene inhibierende und aktivierende Rezeptoren (Killerzell-Immunglobulin- like Rezeptoren [KIR], Natural Cytotoxicity-Rezeptoren [NCR]), über welche die Steuerung der Zytotoxizität und Zytokinausschüttung kontrolliert werden kann.2, 3
Nach der klassischen Self-Hypothese kommt es zu einer NK-Zell-Attacke, wenn die inhibitorischen KIRs auf der NK-Zelle nicht die entsprechenden KIR-Liganden (klassische MHC-I-Moleküle) auf der Zielzelle finden, sogenanntes KIR-Mismatch. 4 Des Weiteren sind sie in der Lage über eine antikörperabhängige zellvermittelte Toxizität (ADCC) mittels Ausschüttung von Perforinen und Granzymen Zielzellen effizient zu vernichten. Besonders nach HLA-nicht-identischer (haploidenter) Stammzelltransplantation konnten klinisch signifikante NK-Zellvermittelte antileukämische Effekte nachgewiesen werden, die mit einer niedrigeren Rezidivrate bei der akuten myeloischen Leukämie (AML) verbunden waren, wenn Patient und Spender eine KIR-Liganden-Inkompatibilität der NKZellen aufwiesen.5–7

Klinische Studien mit allogenen NK-Zellen

Die Pionierarbeiten von Rosenberg et al. mit der Applikation autologer, lymphokin- aktivierter Killerzellen in Kombination mit Interleukin 2 (IL-2) bei Krebspatienten und die mehr als 30 Jahre Erfahrungen in der allogenen und haploidenten Stammzelltransplantation (SZT) haben vor über 15 Jahren zur Initiierung klinischer Studien mit allogenen Spender-NK-Zellen geführt. Inzwischen wurden damit weit mehr als 200 Patienten behandelt.8 Im Gegensatz zur Immunintervention mit T-Zellen nach SZT, die mit einem hohen Risiko für die Graft-versus-Host-Erkrankung (GvHD) verbunden ist, führt die Applikation von Spender-NK-Zellen zu keiner oder nur geringer GvHD.9, 10 Diese „Off the shelf“- Therapien mit allogenen, aufgereinigten und expandierten NK-Zellen konnten erfolgreich mit und ohne SZT eingesetzt werden.11–13
Mit dem Ziel, hohe Zellzahlen zu applizieren, wurden die NK-Zellen zunächst mithilfe von IL-2 in vitro oder in vivo expandiert und stimuliert. Dies führte allerdings zum Antriggern regulatorischer T-Zellen und in einigen wenigen Fällen zu Nebenwirkungen wie dem vaskulären Leak-Syndrom (VLS). Im Weiteren gibt es erfolgversprechende Ansätze mit den Zytokinen IL-15, IL-18 und IL- 21.14 Klinisch kam es trotz Steigerung NK-Zell-vermittelter Zytotoxizität durch „tumor immune escape mechanisms“ (TIEMs) zu erheblicher Inhibition der NK-Zell-Aktivität.

Überwindung der „tumor immune escape mechanisms“

Krebszellen sind in der Lage, sich dem Immunsystem durch „immune escape mechanisms“ zu entziehen. Zu diesen zahlreichen inhibierenden Effekten gehören unter anderem die Reduzierung der MHC-Expression, die Sezernierung von immunsupprimierenden Zytokinen, etwa TGF-beta, oder das Abwerfen von Antigenen der Zelloberfläche. In unserer klinischen Phase-I/II-Studie konnten wir zum Beispiel nach haploidenter SZT mit adaptivem NK-Zell-Transfer bei Patienten mit Neuroblastom das Shedding der humanen Stressliganden MICA/B nachweisen, was zur Blockierung des NKG2DRezeptors auf den NK-Zellen führte und damit unmittelbar zu einer verminderten lytischen Aktivität gegenüber den Zielzellen. 15

Eine der wichtigsten Aufgaben, insbesondere bei der Behandlung von Tumoren, wird daher in der Entwicklung von Strategien liegen, die Abwehrmechanismen des Tumors zu überwinden und das Tumormikromilieu zu durchbrechen. Zum einen werden Ansätze verfolgt, inhibierende Rezeptoren auf den NK-Zellen zu blockieren oder die Wirkung aktivierender Rezeptoren zu steigern. Hierbei spielt der zielgerichtete Einsatz therapeutischer Antikörper wie der Immuncheckpoint- Inhibitoren eine wichtige Rolle. Präklinisch und zum Teil in ersten klinischen Studien werden die inhibierenden Rezeptoren KIRs, NKG2A, PD-1, TIM3, CD96, TIGIT als neue mögliche Targets untersucht.16
Neben diesen zielgerichteten, molekularen Ansätzen zum Überwinden der TIEMs wird versucht, die Effektivität von NK-Zellen durch genetische Modifikation mit einem chimären Antigen-Rezeptor (CAR) zur „CAR-NK-Zelle“ zu steigern.

Erste klinische CAR-NK-Zell-Studien

Durch große Erfolge in der Immunonkologie mit CAR-exprimierenden T-Zellen bei der Behandlung von diffus großzelligen B-Zell-Lymphomen (DLBCL) und bei der CD19-positiven akuten lymphatischen B-Zell-Leukämie (B-ALL) erfolgte 2017 und 2018 die Marktzulassung von zwei CD19-spezifischen CAR-T-Zell-Therapien in den USA und der EU. Im Vergleich zu den derzeit mehr als 500 klinischen CAR-T-Zell-Studien bei verschiedenen hämatologischen Erkrankungen und soliden Tumoren ( https://clinicaltrials.gov) gibt es bisher nur wenige CAR-NK-Zell-Studien (Tab. 1).
Als Quelle für die Isolation der NKZellen dienen peripheres Blut, Apherisat, Knochenmark und Nabelschnurblut. In prä-klinischer Testung befindet sich auch die Herstellung von CAR-NK-Zellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen. Darüber hinaus laufen erste klinische Studien mit der humanen NK-Zell-Linie NK92 für „CAR-NK92-Zellen“. Ihr Einsatz findet unter der Anwendung spezieller Sicherheitskriterien wie der Bestrahlung des Produktes zur Proliferationskontrolle statt.
In klinischen und präklinischen Studien werden verschiedene Antigene auf ihre Eignung zur Adressierung eines chimären Antigenrezeptors der NK-Zellen getestet. Basierend auf den Erfahrungen mit CAR-T- Zellen finden sich neben CD19, CD20, CD22, CD33, CD123, CD3, CD7, CD5, CD138 und CD319 zur Behandlung von Leukämien und Lymphomen auch Mesothelin, PSMA (prostataspezifisches Membranantigen), HER2/ErbB2 (humaner epidermaler Wachstumsfaktorrezeptor), ROBO1 („roundabout guidance receptor“), GD-2 (Disialoganglioside) für die Behandlung solider Tumoren, um nur einige zu nennen. Auch der Ansatz eines NKG2DCAR zur Steigerung der NK-Zell-Aktivität wird in einer Pilotstudie verfolgt.17
Zur Einbringung der genetischen Information zeigten sich in präklinischen Vergleichen gute Transduktionsraten in NKZellen mittels lentiviraler oder alpha-retroviraler Vektoren.18 Bisher erfolgt die Konstruktion des CARs bei NK-Zellen in Anlehnung an die der CAR-T-Zellen, bestehend aus den gleichen Elementen an extrazellulärer variabler Antigen-erkennender Region, der transmembranen Domäne und der intrazellulären Signaldomäne als CAR erster, zweiter oder dritter Generation. Neben CD3-zeta und 4-1BB, die in CAR-T- und CAR-NK-Zellen eingesetzt werden, können in der NK-Zelle zu zusätzliche Signalwege wie DAP10 und DAP12 zur Optimierung genutzt werden. Derzeit wird auch versucht, neben einer verbesserten Zellfunktionalität, die Invivo- Persistenz von CAR-NK-Zellen im Patienten zu verlängern. K. Rezvani konnte zeigen, dass durch die Ausstattung mit einem IL-15-Gen (CD19-CD28-zeta-2A-iCasp9-IL15) 7 von 9 Patienten Remissionen erreichten und eine Persistenz der CAR-NK-Zellen aus Nabelschnurblut über mehrere Monate nachzuweisen war.19, 20 In einer in Deutschland laufenden Phase- I-Studie (CAR2BRAIN) sollen die Sicherheit und die Verträglichkeit der intrakraniellen Injektion von genetisch veränderten NK92-Zellen (NK-92/5.28.z) gerichtet gegen das HER2-positive Glioblastom getestet werden. Die Firma NantKwest aus den USA geht noch einen Schritt weiter und setzt auf transduzierte hochaffine NK-92 Zellen (t-haNK), welche mit einer Variante des CD16-Rezeptors (V158 Fcγ- Rezeptor IIIa) und einem CAR ausgerüstet werden (NCT04052061, NCT04050709). Die Firma Fate Therapeutics widmet sich der Entwicklung iPS-abgeleiteter CAR-NK- Zellen, mit ersten hoffnungsvollen Ergebnissen in präklinischen Studien.
Im Gegensatz zur Applikation von CAR-T- Zellen, bei denen es zu starken Nebenwirkungen wie dem „cytokine release syndrome“ (CRS) und hohen Neurotoxizitäten kam, gibt es unter CAR-NK-Zell-Therapie noch keine Berichte über schwere Nebenwirkungen.

Fazit und Ausblick

Welchen Platz CAR-NK-Zellen in der Immunonkologie zukünftig einnehmen werden, müssen weitere Forschungsergebnisse und klinische Studien beantworten. Insbesondere werden größere Patientenkohorten benötigt, um zu zeigen, ob CAR-NK-Zell- Therapien wirklich zu deutlich weniger Nebenwirkungen gegenüber den CAR-T- Zellen führen.
Darüber hinaus kommt es bei der personalisierten Herstellung der CAR-T-Zellen infolge des fortgeschrittenen Krankheitsverlaufs und der starken Vorbehandlung der Patienten in einigen Fällen zum Produktausfall. Die autologen T-Zellen können unter der genetischen Manipulation in die Apoptose gehen, wodurch dem Patienten am Ende keine Therapie zur Verfügung steht. Daher könnte der Einsatz von allogenen CAR-NK-Zellen als „Off the shelf“- Produkt für diese Patienten eine sinnvolle Therapieoption darstellen.
Weitere Forschungsaktivitäten müssen auf den Kombinationstherapien zwischen CAR-NK-Zellen und Immuncheckpoint- Inhibitoren liegen, um letztendlich für die Behandlung hochmaligner Tumoren die „tumor immune escape mechanisms“ zu überwinden. Auch die technische Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses für diese personalisierten Zelltherapeutika ist von großer Wichtigkeit, da dieser derzeit extrem aufwendig und teuer ist und das Gesundheitssystem vor große Herausforderungen stellt. Erst die Automatisierung und Digitalisierung von Prozessstraßen wird die Herstellung von CAR-Effektor- Zellen für große Patientenkohorten erlauben.

Literatur: