Immunologie

Anti-Drug-Antikörper

Wenn Antikörper gegen Arzneistoffe den Therapieerfolg gefährden

Ilse Zündorf und Theo Dingermann | Nachdem 1982 mit Insulin das erste gentechnisch hergestellte Medikament auf den Markt kam, sind in Deutschland mittlerweile 145 Arzneimittel mit 108 rekombinanten Wirkstoffen zugelassen, davon 13 Biosimilars (Stand August 2012, [1]). Bei etlichen Erkrankungen haben diese Wirkstoffe einen Durchbruch in der Therapie erzielt. Und dennoch ist die Freude über diese relativ neue Arzneistoffgruppe nicht ganz ungetrübt. Denn bei einer signifikanten Zahl der mit diesen Wirkstoffen behandelten Patienten bilden sich Antikörper, die diese Medikamente neutralisieren. Wie jetzt im vom Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) herausgegebenen "Bulletin zur Arzneimittelsicherheit" erwähnt [2], wird sich auch das Paul-Ehrlich-Institut im Forschungskonsortium ABIRISK (Anti-Biopharmaceutical Immunization: Prediction and analysis of clinical relevance to minimize the RISK) engagieren, um die klinische Relevanz dieser Antikörper mit dem Kürzel ADA (Anti-Drug-Antikörper) genauer aufzuklären.

Ob Insulin, Wachstumshormon, Erythropoetin, Gerinnungsfaktoren oder die mittlerweile große Zahl an Antikörpern – ohne gentechnisch hergestellte Arzneimittel sind manche Therapien heutzutage gar nicht mehr durchführbar. Ein nicht zu vernachlässigendes Problem ist die Bildung von Antikörpern gegen diese Wirkstoffe im Laufe der Therapie. Diese Antikörper können entweder einfach nur an das Protein binden (BAbs, bindende Antikörper) und die Pharmakokinetik des Wirkstoffs beeinträchtigen, so dass u. U. mehr Protein verabreicht werden muss. Sie können aber auch komplett die Wirkung des Therapeutikums neutralisieren (NAbs, neutralisierende Antikörper) oder gegebenenfalls mit dem körpereigenen Protein kreuzreagieren, was zum Teil lebensbedrohliche Reaktionen nach sich zieht.

Lebensbedrohliche Komplikationen

Eine solche schwerwiegende Komplikation, die in Zusammenhang mit inhibitorischen Antikörpern gegen rekombinantes Erythropoetin gebracht wird, ist die Pure Red Cell Aplasia (PRCA) oder isolierte aplastische Anämie. Während normalerweise im Rahmen einer Erythropoetin-Substitutionstherapie nur 0,02 bis 0,03 Fälle pro 10.000 Patientenjahre auftreten, kam es in den Jahren 2002 und 2003 zu einer ungewöhnlichen Häufung von PRCA. Damals registrierte man nach Verabreichung von Eprex®/Erypo® 4,5 PRCA-Fälle pro 10.000 Patientenjahre [3].

Bei immerhin ca. 25 bis 30% der schweren Fälle von Hämophilie A findet man inhibitorische Antikörper gegen Gerinnungsfaktor-VIII-Präparate [4]. Die Behandlung der betroffenen Patienten ist schwierig, erfordert dann extrem hohe Wirkstoffdosen und belastet somit das Gesundheitssystem in erheblichem Maße.

Und auch bei den therapeutischen Antikörpern können durchaus bis zu 80% der Patienten Anti-Drug-Antikörper entwickeln [5]; selbst bei dem humanen Antikörper Adalimumab reagiert bei fast einem Drittel der Patienten das Immunsystem auf die Wirkstoffgabe [6].

Therapeutische Proteine als Antigen?

Auf den ersten Blick erscheint es ungewöhnlich, dass das Immunsystem gegen das Therapeutikum Antikörper entwickelt, handelt es sich doch bei der überwiegenden Zahl der therapeutischen Proteine um humane Proteine. Eigentlich sollten diese Moleküle dem Immunsystem bekannt sein und daher toleriert werden. Zwei Mechanismen kann man sich hier vorstellen, die zur Bildung von ADAs führen:

  • Eine Aktivierung der klassischen Immunantwort durch ein Fremdprotein, ähnlich wie bei einer Impfung.

  • Einen Verlust der B- und T-Zell-Toleranz gegenüber autologen Proteinen [7].

Liegt bei den Patienten ein Gendefekt vor, der zu einem kompletten Proteinmangel oder zu einem fehlgebildeten Protein führt, ist das substituierte Molekül tatsächlich ein neues, unbekanntes Protein, das – ähnlich wie ein Antigen – das Immunsystem zur Bildung von Antikörpern stimuliert. Auch bei nicht-humanen Proteinen wie Botulinumtoxin oder murinen Antikörpern liegen Fremdmoleküle vor, die entsprechend immunogen wirken. Ein wichtiger Schritt dabei ist die Präsentation des therapeutischen Proteins auf antigenpräsentierenden Zellen, wie beispielsweise dendritische Zellen. Erkennt ein T-Zellrezeptor das präsentierte Antigen, kommt es zur Aktivierung der T-Zelle und in Folge auch der B-Zelle, was dann zur Differenzierung zu Plasmazellen und Sekretion der Antikörper führt (Abb. 1).


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Abb. 1: Induktion der Immunantwort Nachdem antigenpräsentierende Zellen, wie z. B. dendritische Zellen, das immunogene, therapeutische Protein aufgenommen und prozessiert haben, wird ein T-Zell-Epitop auf dem MHC-II-Komplex präsentiert. Durch die Interaktion mit einem passenden T-Zellrezeptor (TCR) und den entsprechenden Co-Stimulatoren wird die T-Zelle aktiviert, kann sich teilen und einerseits eine Gedächtniszelle bilden oder aber eine B-Zelle, die ebenfalls ein Epitop auf dem Protein erkennt, aktivieren. Auch aus der aktivierten B-Zelle entwickelt sich entwickeln sich Gedächtniszellen sowie Plasmazellen, die nun die spezifischen Anti-Drug-Antikörper bilden.

Neben dieser T-Zell-abhängigen Stimulation der B-Zelle können die Protein-Wirkstoffe vermutlich auch als T-Zell-unabhängige Antigene fungieren. Solche Ti-Antigene haben häufig repetitiv vorkommende Strukturen, über die sie B-Zellrezeptoren kreuzverknüpfen können und dadurch die B-Zelle aktivieren [8].

Im Rahmen von ABIRISK wird sich die Forschergruppe am Paul-Ehrlich-Institut auf die ADAs gegen Faktor VIII konzentrieren und dabei vor allem die Aktivierung der dendritischen Zellen studieren. Offensichtlich kann der Gerinnungsfaktor allein nicht zur Stimulation der antigenpräsentierenden Zellen führen. Vielmehr sind zur Initiation einer Immunantwort wahrscheinlich zusätzliche "Gefahrensignale" erforderlich, die bei den Patienten durch subklinische Infektionen oder Traumata hervorgerufen werden [2].

Triggerfaktoren für die Bildung von ADAs

Verschiedene Faktoren beeinflussen die Ausbildung der Anti-Drug-Antikörper, allen voran Produkt- und Therapie-abhängige Faktoren, aber auch Patienten-Charakteristika [9].

Patienten-abhängige Faktoren. Je nachdem, mit welchen MHC-Allelen Patienten ausgestattet sind, können die präsentierten Antigene von T-Zellen unterschiedlich gut erkannt werden. Auch Gene, die an den Immunreaktionen beteiligt sind, beispielsweise Gene für die Toll-like-Rezeptoren, beeinflussen – je nach Allel – die Bildung der Anti-Drug-Antikörper. Und selbst Geschlecht und Alter haben Einfluss auf die Immunreaktion: Die gefürchteten PRCA-Fälle scheinen gehäuft bei älteren, männlichen Patienten aufzutreten.

Hinzu kommt die Erkrankung als solche, die – wie im Fall der Hämophilie – mit kleineren Infektionen assoziiert sein kann und dadurch das Immunsystem hinsichtlich einer Reaktion gegen das Therapeutikum stimuliert. Auf der anderen Seite kann aber gerade auch eine immunsuppressive Therapie, beispielsweise eine Behandlung mit Methotrexat oder Azathioprin, die Ausbildung der Anti-Drug-Antikörper unterdrücken.

Produkt-abhängige Faktoren. Einen wesentlichen Einfluss auf die Bildung von Anti-Drug-Antikörper hat das rekombinante Protein als solches. Sind in der Aminosäuresequenz Bereiche vorhanden, die als B- oder T-Zell-Epitope infrage kommen oder aber eine Aggregatbildung des Proteins favorisieren, kommt es häufiger zur Bildung der ADAs. Bei Änderungen der Primärsequenz des Proteins, die beispielsweise in Anpassung an prokaryontische Expressionssysteme nötig waren (beispielsweise bei verschiedenen Zytokinen) oder die vorgenommen wurden, um die Pharmakokinetik zu optimieren (beispielsweise bei den modifizierten Insulinen), können die neuen Proteine vom Körper wiederum als fremd erkannt werden. Zudem kann abhängig von der Produktionszelllinie das Muster und die Menge der an das Protein angehängten Zuckerstrukturen variieren und die Immunogenität des Moleküls beeinflussen.

Bei den rekombinant hergestellten Wirkstoffen gilt "The process is the product", d. h. je nach Aufreinigungsprozess des Proteins resultieren unterschiedliche Produkte. Sollten beispielsweise noch Verunreinigungen von der Produktionszelllinie enthalten sein, können diese Moleküle als Adjuvanzien agieren und bei der Therapie die Produktion der ADAs verstärken.

Sehr viel Sorgfalt muss bei der Aufreinigung der Stabilität des Proteins entgegengebracht werden: Kommt es während der Herstellung zur Aggregation des Proteins, steigert dies die Immunogenität des Wirkstoffs. Ähnliches gilt für die Formulierung und Verpackung des Wirkstoffs. Auch Stabilisatoren und die Verpackungsmaterialien können dazu führen, dass sich Protein-Aggregate leichter ausbilden, und aus dem Plastik von Spritzen oder dem Gummi von Flaschenstopfen können Weichmacher oder andere Substanzen in die Wirkstofflösung diffundieren, die ebenfalls als Adjuvans fungieren. So hatte man beispielsweise die gestiegene Anzahl der PRCA-Fälle nach Behandlung mit Eprex® in den Jahren 2002/2003 damit in Verbindung gebracht, dass der Wirkstofflösung nicht mehr humanes Serumalbumin als Stabilisator zugesetzt werden durfte, sondern stattdessen mit Polysorbat 80 stabilisiert wurde. Außerdem sollen aus der neu verwendeten Spritze Stoffe freigesetzt worden sein, die ihrerseits zur Aktivierung antigenpräsentierender Zellen führten. Diese Theorien sind jedoch mittlerweile als nicht zutreffend eingestuft worden [3]. Stattdessen wird postuliert, dass überwiegend eine fehlerhafte Lagerung und ein falscher Umgang mit dem Wirkstoff als Ursache infrage kommt. Humanes Serumalbumin ist sicherlich ein besserer Stabilisator für Proteine als Polysorbat 80. Durch die Änderung der Formulierung wurde Erythropoetin instabiler und neigte bei längerer Lagerzeit verstärkt zur Aggregatbildung.

Therapie-abhängige Faktoren. Gerade bei den Erythropoetin-Präparaten zeigen sich Unterschiede in der Ausbildung der ADAs, je nachdem wie das einzelne Produkt angewendet wird. Generell gilt, dass bei einer intravenösen Applikation die Wahrscheinlichkeit der Antikörperbildung am geringsten ist. Häufiger treten ADAs bei intranasaler und intramuskulärer Verabreichung auf, und am häufigsten sind die inhibitorischen Antikörper nach subkutaner Injektion des Wirkstoffes zu beobachten. Dies wird darauf zurückgeführt, dass im subkutanen Gewebe besonders viele dendritische Zellen vorkommen, die dann sehr schnell über die Wirkstoffgabe aktiviert werden können. Für Patienten ist meist eine subkutane Injektion sehr viel angenehmer. Zudem kann diese vom Patienten selbst problemlos durchgeführt werden. Gerade dieser Aspekt bedingt jedoch häufig, dass der Wirkstoff zu Hause falsch gelagert und nicht ausreichend vorsichtig angewendet wird, so dass dadurch eine Aggregatbildung induziert wird, was wiederum die Immunogenität des Proteins steigert.

Weitere Therapie-abhängige Faktoren sind die Behandlungsdauer sowie die Häufigkeit und Menge des applizierten Wirkstoffs: Je länger die Therapie dauert und je mehr Protein verabreicht wird, desto wahrscheinlicher ist die Bildung der Antikörper. Allerdings kann bei einer größeren Proteindosis auch eher eine Toleranzinduktion beobachtet werden.

Hinzu kommt, dass eine höhere Frequenz der Anwendung, aber auch eine periodische Therapie, häufiger mit dem Auftreten von Anti-Drug-Antikörpern assoziiert sind. Insgesamt sind also offensichtlich durchaus mehrere, unterschiedliche Faktoren an der Induktion der Immunantwort beteiligt.

Detektion von ADAs

Während bindende Antikörper (BAbs) bereits innerhalb von ca. drei Monaten nach Behandlungsbeginn auftreten, finden sich neutralisierende Antikörper (NAbs) üblicherweise erst nach sechs bis 18 Monaten. Erstaunlicherweise sind die ADAs überwiegend vom IgG4-Isotyp. IgG4-Antikörper machen im Serum von Erwachsenen kaukasischer Herkunft nur ca. 4% der Gesamt-IgG-Menge aus und sind dadurch charakterisiert, dass sie das Komplementsystem nicht aktivieren können und eine geringe Affinität zu Fcγ-Rezeptoren aufweisen. Aus diesem Grund sind IgG4-Antikörper nicht in der Lage, das Immunsystem nach Bindung an das Antigen zu mobilisieren. Allerdings tauschen IgG4-Immunglobuline in vivo untereinander Molekülhälften aus, so dass bispezifische Antikörper entstehen, die an unterschiedliche Antigene binden und zur Ausbildung von Immunkomplexen führen können [6].

Die gebildeten Antikörper lassen sich recht einfach im Blut der Patienten nachweisen. Um allerdings zwischen BAbs und NAbs unterscheiden zu können, reicht es nicht aus, nur die Bindung des Antikörpers an das Antigen nachzuweisen, sondern es muss in einem funktionellen Assay gezeigt werden, dass tatsächlich die Wirkung des Proteins unterbunden wird. Und ganz besonders heikel wird es, wenn neutralisierende Antikörper gegen Antikörper-Wirkstoffe nachgewiesen werden sollen.

Wie lassen sich ADAs vermeiden?

Große Anstrengungen werden mittlerweile unternommen, bereits im Vorfeld der Herstellung eines Protein-Wirkstoffes seine Immunogenität abzuschätzen. Mithilfe der Immuninformatik sollen mit geeigneten Algorithmen Proteinsequenzen als antigene Epitope für B- oder T-Zellen oder auch als Bereiche zur Aggregatbildung identifiziert werden [10]. Diese Vorhersage ist jedoch nur bedingt zuverlässig, denn Epitope, die erst in der dreidimensionalen Struktur entstehen, können kaum erfasst werden. Alternativ kann die Immunogenität des Proteins über PEGylierung oder Sialylierung reduziert werden, allerdings muss darauf geachtet werden, dass durch diese Wirkstoffmodifikation nicht auch die Funktionalität des Moleküls verloren geht.

Letztlich lässt sich die Immunogenität eines Proteinwirkstoffes nur wirklich innerhalb eines kompletten Organismus mit funktionierendem Immunsystem eindeutig zeigen. Dummerweise sind hier Tiermodelle eher ungeeignet, denn im Tier ist jedes humane Proteintherapeutikum ein fremdes Molekül und wirkt deshalb antigen. Zudem reagiert das Immunsystem einer Maus oder einer Ratte oftmals etwas anders als das des Menschen, so dass die induzierten Reaktionen nur bedingt übertragbar sind.

Andere Ansätze zur Vermeidung der ADAs greifen am Therapieschema an: Eine gleichzeitige Verabreichung von Immunsuppressiva oder auch von Anti-B-Zell-Antikörpern zusammen mit dem Biotherapeutikum verringert die Immunantwort und damit die Bildung der ADAs. In Tiermodellen konnte gezeigt werden, dass durch die Überexpression des rekombinanten Proteins mithilfe von viralen Vektoren eine Immuntoleranz induziert werden konnte. Und auch bei Hämophilie-Patienten, die bereits NAbs gegen Faktor VIII gebildet hatten, konnte über die Verabreichung von hochdosierten Faktor-VIII-Präparaten eine Immuntoleranz erzielt werden.

EMA-Guidelines

Die Europäische Zulassungsbehörde EMA hat mittlerweile verschiedene Richtlinien veröffentlicht, die Hersteller für die Überprüfung der Immunogenität rekombinanter Proteine sensibilisieren sollen. Hier sind vor allem zu erwähnen die

  • Guideline on immunogenicity assessment of monoclonal antibodies intended for in vivo clinical use (EMA/CHMP/BMWP/86289/2010).

  • Guideline on Immunogenicity assessment of biotechnology-derived therapeutic proteins (EMEA/CHMP/BMWP/14327/2006).

Diese Veröffentlichungen sollten zusammen mit weiteren Guidelines wie Guideline on similar biological medicinal products (CHMP/437/04) berücksichtigt werden.

Fazit

So zielführend die Therapie mit Proteinwirkstoffen auch ist, birgt sie doch die nicht unerhebliche Gefahr der Bildung von Anti-Drug-Antikörpern. Mittlerweile kennt man schon etliche der Faktoren, die diese unerwünschte Komplikation fördern, allerdings besteht nach wie vor großer Aufklärungsbedarf. Allein schon deshalb ist die Einrichtung des Forschungskonsortiums ABIRISK sehr positiv zu bewerten. Insgesamt 37 Teilnehmer, darunter auch das Paul-Ehrlich-Institut, wollen innerhalb von 60 Monaten systematisch Daten zu Anti-Drug-Antikörpern aufarbeiten, die bei der Therapie von Hämophilie A, multipler Sklerose und schweren Entzündungskrankheiten entstehen. Man darf gespannt sein, welche weiteren Erkenntnisse sich in den nächsten fünf Jahren ergeben werden.


Literatur

[1] http://www.vfa.de

[2] Waibler, Z., Seitz, R.: Wie lassen sich Anti-Drug-Antikörper verhindern? EU-Forschungskonsortium mit Beteiligung des PEI. Bulletin zur Arzneimittelsicherheit 3 (2012), 36 – 38.

[3] Macdougall, I.C., Roger, S.D., de Francisco, A., et al.: Antibody-mediated pure red cell aplasia in chronic kidney disease patients receiving erythropoiesis-stimulating agents: new insights. Kidney International 81 (2012), 727 – 732.

[4] Pratt, K.P.: Inhibitory antibodies in hemophilia A. Curr. Opin. Hematol. 19 (2012), 399 – 405.

[5] Getts, D.R., Getts, M.T., McCarthy, D.P., et al.: Have we overestimated the benefit of human(ized) antibodies? MAbs 2 (2010), 682 – 694.

[6] van Schouwenburg, P.A., Krieckaert, C.L., Nurmohamed, M. et al.: IgG4 Production Against Adalimumab During Long Term Treatment of RA Patients. J. Clin. Immunol. (2012) DOI 10.1007/s10875-012-9705-0, May 24. [Epub ahead of print]

[7] De Groot, A.S., Scott, D.W.: Immunogenicity of protein therapeutics. TRENDS in Immunology 28 (2007), 482 –490.

[8] Sauerborn, M., Brinks, V., Jiskoot, W., Schellekens, H.: Immunological mechanism underlying the immune response to recombinant human protein therapeutics. Trends in Pharmacol. Sci. 31 (2009), 53 – 59.

[9] Farrell, R.A., Marta, M., Gaeguta, A.J., et al.: Understanding drug resistance to biologic therapy Development of resistance to biologic therapies with reference to IFN-. Rheumatology 51 (2012), 590 – 599.

[10] Dasgupta, S., Bayry, J., André, S., et al.: Auditing Protein Therapeutics Management by Professional APCs: Toward Prevention of Immune Responses against Therapeutic Proteins. J. Immunol. 181 (2008), 1609 – 1615


Autoren
Dr. Ilse Zündorf,
Prof. Dr. Theo Dingermann,
Institut für Pharmazeutische Biologie, Max-von-Laue-Str. 9, 60438 Frankfurt, dingermann@em.uni-frankfurt.de


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DAZ 2012, Nr. 39, S. 68