CAR-T-Zellen

CAR-T ist das Akronym für „chimäre Antigenrezeptor-T-Zellen“. Hierbei handelt es sich um tumorspezifische T-Lymphozyten mit einem künstlichen (chimären) Antigenrezeptor (ACAR), der aus einem einkettigen variablen Antikörperfragment besteht (chimeric Antigen Receptor T Cells). Künstliche (chimäre) Antigenrezeptoren sind Fusionsproteine aus einer Einzelkettenfragment-Variablen eines spezifischen monoklonalen Antikörpers und einer oder mehreren intrazellulären T-Zell-Rezeptor-Signaldomänen. Diese genetische Modifikation der T-Zellen kann entweder über virenbasierte Gentransfermethoden oder nichtvirale Methoden wie DNA-basierte Transposons, CRISPR/Cas9-Technologie oder direkten Transfer von in vitro transkribierter-mRNA durch Elektroporation erfolgen (Miliotou AN et al. 2018).

Die meisten CARs bestehen aus einer Antigen-bindenden Domäne, einer extrazellulären Spacer-/Gelenkregion, einer transmembranen Domäne und einer intrazellulären Signaldomäne, die nach der Antigenbindung zur T-Zell-Aktivierung führt (Curran KJ et al. 2012).

Die derart veränderten Lymphoyzten erkennen das Tumorantigen direkt, ohne die Beteiligung des Haupthistokompatibilitätskomplexes (Mohanty R et al. 2019). Es besteht inzwischen die Möglichkeit Rezeptoren gegen mehr als ein Antigen zu exprimieren (bi-, tri-, quad-specific CARs). Gegenwärtige Technologien arbeiten daran, solche CART-T-Zellen durch eingebaute und miteinander kombinierbare logische „gates“ („UND“, „ODER“, “NICHT“) noch effizienter zu machen.  Eine CAR-T-Behandlung vereint demnach die Merkmale von drei innovativen Therapieformen – die der Immun-, Zell- und Gentherapie.

Die chimäre Antigenrezeptor (CAR)-T-Zelltherapie hat sich als neuartiges therapeutisches T-Zell-Engineering herauskristallisiert, bei dem aus Patientenblut gewonnene T-Zellen in vitro so verändert werden, dass sie künstliche Rezeptoren exprimieren, die auf ein spezifisches Tumorantigen ausgerichtet sind. Diese Therapie wurde in den letzten Jahren erfolgreich eingesetzt, mit Remissionsraten von bis zu 80 % bei hämatologischen Krebserkrankungen, insbesondere bei akuter lymphatischer Leukämie (ALL) und Non-Hodgkin-Lymphomen, wie dem großzelligen B-Zell-Lymphom (Mohanty R et al. 2019).

Zunächst werden die Leukozyten des Tumorpatienten durch Leukapherese extrahiert und ex-vivo gentechnisch so verändert, dass sie chimäre Antigenrezeptoren exprimieren. Diese Antigenrezeptoren binden nach Infusion der CAR-T-Zellen in den Patienten an spezifische Tumorzell-Antigene und initiieren so den Untergang bzw. die Apoptose der Krebszellen.

Die CAR-T-Zelltherapie ist demnach eine alternative Immuntherapie mit kurativem Potenzial, bei der dem Patienten T-Zellen entnommen, im Labor gentechnisch verändert und dem Patienten als sogenanntes personalisiertes Arzneimittel reinfundiert werden. Bereits zwei Produkte dieses neuen Arzneimitteltyps erlangten bei fortgeschrittenen Blutkrebserkrankungen die Marktreife.

Die Domänen der CAR kombinieren die Spezifität eines Antikörpers mit den cytotoxischen und Gedächtnisfunktionen von T-Zellen (Haji-Fatahaliha M et al. 2016).

Herstellung

Leukapherese: Mit einem speziellen Verfahren werden weiße Blutkörperchen des Tumorpatienten gewonnen. Sie werden eingefroren und an den Hersteller der CART-T-Zellen verschickt.

Gentransfer: In die T-Zellen wird ein inaktives Virus eingeschleust. Seine Erbsubstanz ist mit einem speziellen Gen erweitert worden. Die DNA der T-Zellen nimmt das Erbgut der Viren auf. Mit Hilfe des präparierten Gens produzieren sie ein Eiweiß (chimärer Antigenrezeptor) gegen CD19, das sie auf ihrer Oberfläche präsentieren (CAR-T-Zelle). Diese Zellen sind in der Lage das CD19-Protein des Tumors zu erkennen. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip bindet der Antikörper der CART-Zelle an das Tumorprotein und zerstört die Tumorzelle.

Vorbereitende Chemotherapie: Vor der eigentlichen Therapie werden mit einer Chemotherapie möglichst viele T-Zellen des Patienten zerstört. Die CAR-T-Zellen haben so eine bessere Startbasis.

Infusion der CAR-T-Zellen: Die gentechnisch veränderten CAR-T-Zellen werden dem Patienten über eine Infusion zurückgegeben. Die CAR-T-Zellen docken an den Tumorzellen Krebszellen an und zerstören diese. Es handelt sich um lebende Zellen, die sich weiter im Körper vermehren und so langfristig das Schutzschild gegen den Blutkrebs bilden.

Im Laufe der Entwicklung entstanden mehrere CAR-Generationen. Alle Proteinkonstrukte tragen ein extrazelluläres, variables Antikörper-Einzelkettenfragment (single chain variable fragment = scFv) und ein Gelenk-Peptid (Hinge). Die Transmembrandomäne (tm) verankert den CAR in der T-Zelle und knüpft an die intrazellulären Signaldomänen an. Die intrazellulären, kostimulatorischen Domänen leiten sich von CD28 und/oder 4-1BB ab. Sie modulieren sowohl die T-Zellaktivierung und das T-Zellüberleben, als auch die Ausschüttung von Zytokinen. Die CD3-zeta-Domäne entstammt dem intrazellulären Signalteil des T-Zellrezeptors, der die Signalübertragung während der T-Zellaktivierung vermittelt.

G1: CAR der ersten Generation (G1) wurden nur mit der CD3ζ-Domäne generiert. Sie waren aufgrund ihrer eingeschränkten Signalfähigkeit nicht in der Lage, ruhende T-Zellen zu aktivieren und anhaltende T-Zellreaktionen oder eine anhaltende Zytokinfreisetzung zu steuern .

G2: Die Kopplung mit zusätzlichen kostimulatorischen Signaldomänen (CD28 oder 4-1BB) führte in der 2. Generation zu ausreichender T-Zellaktivierung. Solche CAR-T ließen sich ex-vivo wirksam expandieren. Die CAR mit CD19 als scFV bilden die Grundlage für die derzeit zugelassenen CAR-T-Zellpräparate Kymriah und Yescarta.

G3: CAR-T-Zellen der dritten Generation kombinieren das Signalisierungspotenzial von zwei kostimulatorischen Domänen (CD28/4-1BB-Tandem).

G4: Die Antitumoraktivität von CAR der vierten Generation, auch TRUCKs (T-cells redirected for universial cytokine-mediated killing) genannt, wird durch weitere gentechnische Modifikation verstärkt. CAR der vierten Generation sind zusätzlich mit Genen transduziert, die die Expression von Zytokinen ermöglichen. Hierzu zählen unter anderem zusätzliche Transgene für die Zytokinsekretion (z. B. IL-12) oder zusätzliche kostimulatorische Liganden.

Die CAR-T-Zelltherapie zeigt erstaunliche Therapieerfolge bei Patienten mit fortgeschrittener Leukämie. Sie wurde in den letzten Jahren erfolgreich eingesetzt, mit Remissionsraten von bis zu 80 % bei hämatologischen Krebserkrankungen, insbesondere bei akuter lymphatischer Leukämie (ALL) und Non-Hodgkin-Lymphomen, wie dem großzelligen B-Zell-Lymphom (Mohanty R et al. 2019).

Zwei Präparate wurden in Europa in beschleunigten Verfahren (Kymriah (Novartis) und Yescarta (Gilead/ Kite) zur Behandlung von hämatologischen Neoplasien zugelassen. Trotz schwerer Nebenwirkungen überwiegt der Optimismus, dass diese Therapieform verbessert werden kann.

Inwieweit die CART-T-Zell-Therapie bei metastasierten soliden Tumoren wie z.B. beim metastasierten Prostatakarzinom wirksam sind bleibt abzuwarten (Yu YD et al. 2021)

Neue Erkenntnisse zeigen, dass CAR-T-Zellen sind auch bei schwerem systemischem Lupus erythematodes wirken.

1. Curran KJ et al. (2012) Chimeric antigen receptors for T cell immunotherapy: current understanding and future directions. J Gene Med 14:405-415.
2. Haji-Fatahaliha M et al. (2016) CAR-modified T-cell therapy for cancer: an updated review. Artif Cells Nanomed Biotechnol 44:1339-1349.
3. Miliotou AN et al. (2018) CAR T-cell Therapy: A New Era in Cancer Immunotherapy. Curr Pharm Biotechnol 19: 5-18.
4. Mohanty R et al. (2019) CAR T cell therapy: A new era for cancer treatment (Review). Oncol Rep 42(6):2183-2195.
5. Yu YD et al. (2021) Chimeric Antigen Receptor-Engineered T Cell Therapy for the Management of Patients with Metastatic Prostate Cancer: A Comprehensive Review. Int J Mol Sci 22: 640.
6. Mougiakakos D et al. (2021)  CD19-Targeted CAR T Cells in Refractory Systemic Lupus Erythematosus. N Engl J Med. 5;385: 567-569.