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Antikörper

Die Spezialisten des Immunsystems

02.08.2016  11:15 Uhr

Von Theodor Dingermann und Ilse Zündorf / Während sich auf den Oberflächen des Körpers Billionen von Mikroorganismen tummeln, duldet der menschliche Organismus kaum Fremdes oder Verfälschtes innerhalb seines Systems. Daher aktiviert er ausgeklügelte Mechanismen, wenn es doch einmal einem Virus, einem Bakterium oder einem Fremdmolekül gelingt, die Schutzbarrieren zu überwinden. Gleiche Prozesse laufen ab, wenn körpereigene Strukturen durch einen fehlerhaften Zusammenbau zur Gefahr für den Organismus werden.

Das Immunsystem hat die Aufgabe, mit zellulären und lös­lichen Strukturen bei Bedarf schnell und hochspezifisch einzugreifen. Es besteht aus einem unspezifischen und einem spezifischen »Ast«. Beide Äste enthalten zelluläre und lös­liche Komponenten. Der unspezifische Ast ist quasi angeboren. Seine Komponenten können sofort eingreifen, wenn das Immunsystem gefordert ist. In dem spezifischen Ast befinden sich Komponenten, die für gezielte Aufgaben »geschult« werden.

Eine der faszinierendsten Komponenten dieses Systems sind die Antikörper. Sie gehören zu den »geschulten« Bestandteilen des Immunsystems. Neugeborene besitzen diese Moleküle zunächst nur als Leihgabe von der Mutter. Im Arsenal der selbst produzierten Proteine fehlen sie noch. Denn Antikörper gibt es nicht »von der Stange«. Sie werden maßgeschneidert gebildet, wenn die Situation es erfordert. Das deutet schon an, dass es im Ernstfall eine kritische Phase gibt: Knapp zehn Tage sind nötig, um einen spezifischen Antikörper herzustellen. Diese Zeit muss überbrückt werden, es sei denn, für den Ernstfall sind Vorkehrungen getroffen. Dazu zählt beispielsweise das Impfen, das auch als Training für das spezifische Immunsystem verstanden werden kann.

Anpassungswunder

Es ist kaum vorstellbar: Antikörper lassen sich prinzipiell für jede denkbare molekulare Oberfläche herstellen. Diese Aussage ist schnell gemacht. Doch die richtige Dimension erfasst nur, wer eine Vorstellung davon hat, wie viele molekulare Oberflächen es geben kann. Die Information, dass es mehr als 10 Milliarden derartiger Strukturen gibt, versetzt dann doch fast jeden ins Staunen. Tatsächlich reicht die Zahl an Antikörpern in Blut und Knochenmark eines gesunden Menschen deutlich in die Milliarden.

Da kann es gar nicht sein, dass jeder Antikörper von einem eigenen Gen kodiert wird. Vielmehr werden Antikörper-Gene nach einem Baukastensystem bei Bedarf zusammengesetzt. Dies geschieht in B-Zellen, die einen Teilbereich ihres Genoms umbauen, wenn sie mit einer nicht vertrauten molekularen Oberfläche in Berührung kommen. Ein solches neu geschaffenes Antikörper-Gen kommt dann nur in der B-Zell-Population vor, die sich von der B-Zelle ableitet, in der dieses Umbauereignis stattgefunden hat. So produziert jede dieser B-Zell-Populationen nur einen einzigen, hoch-spezifischen Antikörper. Dieser Zusammenbau ist ein aufwendiger genetischer und biochemischer Prozess. Daher werden die B-Zellen, in denen ein solcher Zusammenbau gelungen ist, nicht entsorgt, sondern ruhen vielmehr als Gedächtniszellen in tiefen Kompartimenten des Knochenmarks. Dort werden sie wieder reaktiviert, wenn dasselbe Problem erneut auftauchen sollte.

Hier liegt auch der Sinn von Impfungen. Mit einer Impfung wird der Ernstfall simuliert, jedoch in abgeschwächter Form. Dieses harmlose »Training« reicht jedoch aus, um B-Zellen anzuregen, geeignete Antikörper zu bauen, die das Problem im Ernstfall lösen helfen. Als Gedächtniszellen stehen sie dann bereit, sofort große Mengen des benötigten Antikörpers zu produzieren, wenn sie gebraucht werden. Die kritische 10-Tagefrist ist dann kein Thema mehr.

Einheitliches Prinzip

Antikörper bestehen aus vier Proteinketten, die über Disulfid-Brücken zu einem Molekül miteinander verbunden sind (Grafik 1). Jeweils zwei der vier Ketten sind identisch. So besteht jeder Antikörper aus zwei identischen leichten und zwei identischen schweren Ketten, die dem Antikörper ein Y-förmiges Aussehen verleihen.

Alle vier Ketten besitzen eine konstante und eine variable Region. Die variablen Regionen enthalten die hochspe­zifischen molekularen Oberflächen. Sie sind der abzuwehrenden molekularen Oberfläche exakt komplementär. Innerhalb der variablen Regionen gibt es stärker und weniger stark ausgeprägte variable Bereiche. Letztere werden als Gerüstregionen (framework-Regionen oder auch FR) bezeichnet. Diese rahmen die drei hypervariablen Regionen, die sogenannten complementarity determining regions (CDRs), ein.

Trotz der großen Spezifität der einzelnen Antikörper sind die Unterschiede zwischen den Antikörpern minimal. Daher lassen sich individuelle Antikörper aus Blut auch praktisch nicht isolieren. Sie alle befinden sich in einer bestimmten Fraktion des Serums, die als Gamma-Globulin-Fraktion bezeichnet wird.

Monoklonale Antikörper

Durch die genialen Arbeiten des deutschen Wissenschaftlers Georg Köhler und seines englischen Kollegen Cesar Milstein ist es seit 1975 möglich, einzelne Antikörpermoleküle mit der sogenannten Hybridoma-Technologie herzustellen. Das Prinzip ist ebenso einfach wie verblüffend: Köhler und Milstein beschrieben einen Weg, die spezifische Syntheseleistung einer einzelnen B-Zelle mit der Unsterblichkeit einer Tumorzelle zu verknüpfen. Das Ergebnis ihrer Arbeiten war eine unsterbliche Hybridoma-Zelle, die beliebig lange einen einzelnen Antikörper in das Kulturme­dium sezerniert.

Die Vorteile monoklonaler Antikörper gegenüber polyklonalen Seren liegen auf der Hand und lassen sich wie folgt beschreiben:

  • Die Präparationen sind molekular homogen, sodass deren In-vivo-Aktivität deutlich kalkulierbarer wird.
  • Die spezifische Aktivität mono­klonaler Antikörper ist deutlich höher als die der gemischten Immunglo­bulin-Fraktionen: Beispielsweise sind 0,7 mg eines monoklonalen Antikörpers gegen das Tetanus-Toxin therapeutisch äquivalent zu 100 bis 170 mg einer Immunglobulin-Fraktion.
  • Da Effekte mit deutlich geringeren Mengen erzielt werden können, sind monoklonale Antikörper wesentlich besser verträglich als polyklonale Seren.
  • Im Gegensatz zu polyklonalen Seren, die immer aus Tieren oder Menschen gewonnen werden müssen, lassen sich monoklonale Antikörper in In-vitro-Kultur gewinnen.
  • Aus diesem Grund ist das Sicherheitsprofil monoklonaler Antikörper beim Einsatz am Menschen weitaus besser als das polyklonaler Seren.

 

Einsatz der Gentechnik

Beim therapeutischen Einsatz monoklonaler Antikörper gibt es allerdings ein Problem: In aller Regel stammen monoklonale Antikörper aus der Maus. Somit werden die Patienten mit einem artfremden Makromolekül behandelt. Dies bleibt nicht ohne Folgen. In kurzer Zeit produzieren die menschlichen B-Zellen spezifische Antikörper gegen das Fremdprotein, sogenannte humane Anti-Maus-Antikörper (HAMAs). Das bedeutet, dass in den meisten Fällen eine wiederholte Behandlung nicht möglich ist.

Konsequenterweise haben Wissenschaftler daher bereits sehr früh damit begonnen, monoklonale Antikörper gentechnisch zu modifizieren. Dazu werden die Gene der schweren und leichten Ketten aus den Hybridom-Zelllinien isoliert, gentechnisch verändert und dann in eine Produktionszelllinie transformiert.

Chimäre Antikörper

Die erste Generation derart gentechnisch modifizierter monoklonaler Antikörper waren sogenannte chimäre Antikörper. Hier wurden die konstanten Bereiche sowohl der leichten als auch der schweren Ketten auf Ebene der Gene gegen entsprechende humane Bereiche ausgetauscht (Grafik 2). Diese Moleküle sind an der Endung »-ximab« zu erkennen.

Einer der ersten zugelassenen chimären Antikörper war Infliximab (Remicade®). Dieser erkennt und bindet den Tumornekrose-Faktor α (TNF-α) und kann dadurch ein chronisches Entzündungsgeschehen unterbrechen.

Obwohl Antikörper über ihre variablen Domänen an ihre Antigene binden, sind längst nicht alle Bereiche für die Spezifität gleichbedeutend. Besonders wichtig sind die hypervariablen Regionen, die CDRs. Jede variable Kette eines Antikörpers besitzt drei solcher CDRs. Diese sind umgeben von framework regions (FRs). Damit verfügt jede variable Kette eines Antikörpers über vier FRs.

Humanisierte Antikörper

Um murine Antikörper noch besser an humane Moleküle anzugleichen, besteht die Möglichkeit, nicht nur die konstanten Domänen auszutauschen, sondern auch die FRs zu ersetzen. Durch gentechnische Methoden ist dies sehr einfach möglich. Die Molekülnamen enden alle auf »-zumab«.

Ein sehr bekannter humanisierter Antikörper ist Trastuzumab (Hercep­tin®). Dieser erkennt extrazelluläre Bereiche des HER2-Rezeptors. In vielen gynäkologischen Tumoren ist das Gen für diesen Rezeptor überexprimiert, sodass sich auf der Oberfläche der Krebszellen ungewöhnlich große Mengen des Rezeptorproteins befinden. Diese Proteine werden von dem Antikörper erkannt und gebunden. Dadurch wird das Tumorwachstum gehemmt und die Krebszellen können durch andere Komponenten des Immunsystems angegriffen werden. Herceptin® ist unter anderem indiziert zur Behandlung von Patientinnen mit Brusttumoren. Ärzte dürfen den Antikörper jedoch nur bei Frauen einsetzen, bei denen nachgewiesen wurde, dass der Tumor das HER2-Protein überexprimiert.

Humane Antikörper

Der dritte gentechnisch hergestellte Antikörpertyp ist der sogenannte humane Antikörper. Dieser Typ enthält gar keine Proteinanteile aus der Maus, denn dieser Antikörper wird in vitro entwickelt. Derartige Antikörper sind an der Namensendung »-umab« zu erkennen. Es ist davon auszugehen, dass humane Antikörper am besten vertragen werden.

Ein Beispiel aus dieser Gruppe ist Adalimumab (Humira®). Wie Infliximab bindet Adalimumab das TNF-α-Protein und kann so ein chronisches Entzündungsgeschehen stoppen. Der Antikörper ist zur Therapie der rheumatoiden Arthritis oder Morbus Crohn und Colitis ulcerosa zugelassen.

Antikörperfragmente

Schließlich gibt es noch chimäre Wirkstoff-Moleküle mit Antikörperteilen, allerdings nicht mit den variablen Bereichen von Antikörpern. Vielmehr handelt es sich bei diesen Wirkstoffen um die Kombination zweier löslicher Varianten eines Rezeptormoleküls mit den beiden konstanten Bereichen eines Antikörpers.

Als erster Vertreter dieses Molekültyps wurde Etanercept (Enbrel®) zugelassen. Hier wurden die konstanten Teile eines humanen Antikörpers an zwei extrazelluläre Domänen des menschlichen TNF-α-Rezeptors gekoppelt. Dieses Fusionsprotein fängt gelöste TNF-α-Moleküle ab und verhindert so, dass diese an ihre membranständigen Rezeptoren binden und Entzündungsprozesse auslösen. So verbessert die Etanercept-Behandlung ebenfalls die rheumatische Symptomatik.

Schlussbetrachtung

Antikörper sind extrem attraktive Moleküle für ganz unterschiedliche Therapiestrategien. Denn Antikörper sind die einzigen Moleküle, die das gezielte Ansteuern eines krankheitsverursachenden Biomoleküls ermöglichen. Zudem sind diese Proteine extrem stabil. Daraus ergeben sich ungewöhnlich lange Halbwertszeiten, sodass Antikörper nur alle 14 Tage bis einmal pro Monat appliziert werden müssen. /