Mit Hilfe der Nanoskopie gelingt es im Milliardstel-Meter-Bereich, Vorgänge in den Zellen sichtbar zu machen. Wie die immunologische Abwehr im Detail funktioniert und wie sich mit Hilfe der Nanoskopie die CAR-T-Zelltherapie beobachten, testen und verbessern lässt, schilderte Univ.-Prof Dr. Hannes Stockinger vom Zentrum für Pathophysiologie, Infektiologie und Immunologie der MedUni Wien in seinem Vortrag bei den 6. PRAEVENIRE Gesundheitstagen im Stift Seitenstetten. | von Rainald Edel, MBA
Zentrum und Schaltzentrale des Immunsystems ist die immunologische Synapse, die aus zwei Zellkomponenten besteht. Der eine Teil ist die antigenpräsentierende Zelle. „Diese nimmt einen Krankheitserreger — beispielsweise SARS-CoV-2 — auf und zerlegt diesen in kleine Bruchstücke, die Antigenen-Peptide. Diese werden anschließend über MHC-Moleküle präsentiert, wodurch alle Proteine linearisiert werden und so jedes kleinste Detail für den Antigenrezeptor der T-Zelle sichtbar gemacht wird“, schilderte Stockinger. Durch diese genaue Analyse werden die Krankheitserreger auch bei Mutationen trotzdem durch die T-Zellen erkannt. „Je nachdem wie die T-Zelle erkennt, entscheidet sie zwischen Angriff oder Toleranz“, so Stockinger. In den meisten Fällen müssen die T-Zellen tolerieren, um sich nicht gegen die Zellen des Menschen oder normale Umweltfaktoren, wie beispielsweise Nahrung, zu richten. „Wir müssen diesen Prozess verstehen, um den T-Zellen zu helfen, wenn diese falsch reagieren und beispielsweise angreifen, wie etwa im Falle von Allergien, Autoimmunerkrankungen oder Transplantationen, oder wenn diese fälschlicherweise tolerieren, wie bei Krebs“, erklärte Stockinger.
Um diese Vorgänge sichtbar zu machen, habe man in den letzten 20 Jahren ein ultrasensitives Mikroskop entwickelt, mit dem es nun möglich ist, einzelne Moleküle in lebenden Zellen darzustellen. Mit an Bord bei dieser Entwicklung waren neben Stockinger auch die Forschungsteams von Univ.-Prof. DI Dr. Gerhard Schütz von der TU Wien und Assoc.-Prof. Dr. Johannes B. Huppa von der MedUni Wien. „Mit diesem Mikroskop gelingt es, einzelne Moleküle in Zellen mit einer Positionsgenauigkeit von 15 nm (Milliardstel Meter) und mit einer Zeitauflösung von 50 Mikrosekunden (Millionstel-Sekunden-Bereich) darzustellen“, schilderte Stockinger. Mit 50.000 bis 100.000 Antigenrezeptoren hat eine einzige T-Zelle eine enorme Leistungsfähigkeit, Entscheidungen über Angriff oder Toleranz zu fällen.
Praktische Anwendung
Wie man dieses Wissen in der Medizin umsetzen kann, zeigte Stockinger am Beispiel der CAR-T-Zellen. „Während die CAR-T-Zelltherapie sehr erfolgreich bei den meisten B-Zell-Malignitäten ist, funktioniert sie bei soliden Tumoren noch nicht“, erklärte der Wissenschafter. Um die CARs zu verbessern stellte Venu Gudipati, PhD im Team von Johannes Huppa, artifizielle Tumorzellen her. Dazu wird auf einem Glasträger eine Zellmembran aufgebracht und je nach Bedarf gestaltet: Beispielsweise kann die Dichte der Tumor-Antigene gesteuert werden als auch die Dichte und der Einfluss von Adhäsionsmolekülen und regulatorischen Molekülen analysiert werden. „So kann genau studiert werden, wie CAR-T-Zellen reagieren, wenn sie entweder mit dem natürlichen Antigenrezeptor oder mit dem CAR, dem Chimären-Antigen-Rezeptor, Tumor-Antigen erkennen”, schilderte Stockinger. Dieser CAR besteht aus einem Antikörperfragment gegen ein Tumorantigen sowie Teilen vom natürlichen Antigenrezeptor und von Regulatormolekülen. Dieses Konstrukt wird gentechnisch in die T-Zelle eingebracht. So lässt sich mittels Nanoskopie analysieren, was eine Killer-T-Zelle macht, wenn sie das Antigen entweder über den CAR-Rezeptor oder über den naturlichen Antigenrezeptor präsentiert bekommt. Der Vergleich zeigt Folgendes: Während die T-Zelle über den natürlichen Antigenrezeptor nur sehr wenige Antigene braucht, um zu arbeiten, liegt die Anzahl beim CAR ungleich höher. „Wir haben nun eine Plattform, um die CARs zu testen und zu verbessern“, erklärt Stockinger.
Immunabwehr durch T-Zellen-Vakzine aufbauen
Als problematisch schilderte Stockinger, dass die typischen Tumorantigene CD19 und CD20 nicht nur bei B-Zell-Malignitäten zu finden sind, sondern auch an normalen B-Zellen. „Somit schießt eine CAR-T-Zelltherapie das B-Zell-System ab“, so Stockinger. Wenn nun ein neues Antigen kommt, z.B. SARS-CoV-2, dann können diese Patientinnen und Patienten keine neutralisierenden Antikörper aufbauen. „Allerdings produziert der menschliche Körper nicht nur neutralisierende Antikörper, wie etwa gegen die Rezeptorbindungsdomäne des Spike Proteins, mit dem das der SARS-CoV-2-Virus an den ACE2-Rezeptor der menschlichen Zelle andockt. Der menschliche Körper produziert auch Killer-T-Zellen“, so Stockinger. Bevor neutralisierende Antikörper gebildet werden, bindet z. B. SARS-CoV-2 an ACE2 auf der Oberfläche von Nasen- und Lungenepithelzellen, integriert seine RNA in das humane Genom und macht aus den menschlichen Zellen eine Virusfabrik. „Obwohl sie vom Virus umprogrammiert wurden, haben die mensch-lichen Zellen noch die Fähigkeit MHC-Moleküle mit den viralen Peptiden zu exprimieren. Damit haben T-Zellen die Chance, diese Zellen über den Antigenrezeptor zu erkennen und zu killen. Unsere jüngsten Untersuchungen zeigten, dass jene Personen, die z. B. durch eine CAR-T-Zelltherapie keine Antikörper produzieren können, jedoch — wenn auch auf geringerem Niveau als gesunde Menschen — eine Immunabwehr durch T-Zellen aufbauen. „Das spornt uns an, diese T-Zellen zu stimulieren und sogenannte T-Zell-Vakzine zu entwickeln“, erklärte Stockinger. Dieser Lösung ist das Team an der MedUni Wien möglicherweise schon nahe, da es Venu Gudipati gelungen ist, ein temperaturabhängiges Fluoreszenzverfahren zu entwickeln, um konservierte Peptide von SARS-CoV-2 zu identifizieren, die von T-Zellen besonders gut erkannt werden. Dieses Verfahren wurde kürzlich in „Science Immunology“ veröffentlicht.
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