Antikörper

Antikörper im Allgemeinen sind komplexe, von Immunzellen gebildete Proteine, die eingedrungene Fremdstoffe und infektiöse Erreger, aber auch alternde und im Körper entartete Zellen binden und Mechanismen in Gang setzen, diese zu eliminieren.

Monoklonale Antikörper sind Biologics, die durch gentechnisches Design optimiert werden können. Medikamente mit solchen rekombinanten Antikörpern sind große Hoffnungsträger in der modernen Wirkstoffforschung. Sie haben den größten Anteil an derzeit laufenden gentechnischen Entwicklungsprojekten.

Was sind monoklonale Antikörper?

Antikörper-Moleküle
Antikörper-Moleküle

In den meisten Fällen haben Antikörper-Moleküle eine aus vier Polypeptidketten bestehende Y-förmige Struktur mit zwei Ästen und einem Stamm. An den Enden der Äste liegen die so genannten Antigen-Bindungsdomänen (= fragment antigen binding, Fab), die sehr variabel sind und aufgrund ihrer dreidimensionalen Struktur sehr spezifisch – nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip – Fremdstoffe (= Antigene) binden können. Beide Fab-Regionen eines Antikörpermoleküls haben normalerweise eine identische Struktur und binden das gleiche Antigen. Der Antikörper-Stamm, das so genannte Fc-Fragment, bindet keine Antigene, hat aber zahlreiche Effektor-Funktionen, weil Zellen und Moleküle des Immunsystems daran binden können, die weitere Reaktionen der körpereigenen Abwehr in Gang setzen.

Gut zu wissen:

In Deutschland sind zurzeit (Stand Jan. 2016) 47 verschiedene monoklonale Antikörper zur Therapie oder Prävention von Erkrankungen zugelassen. Eine Vielzahl weiterer Vertreter wird in klinischen Studien getestet.

Antikörper im Einsatz für Diagnostik und Therapie

Unsterblich und hochspezifisch - Bei einer typischen Immunreaktion werden Antikörper gegen verschiedene Bereiche bzw. Strukturen des Antigens gebildet. Da diese Antikörper von unterschiedlichen Immunzellen stammen, bezeichnet man sie als polyklonal. Die Entwicklung der Hybridom-Technologie zur Herstellung von monoklonalen Antikörpern im Jahr 1975 war ein Meilenstein für die therapeutische Anwendung von Antikörpern. Durch die Fusion von antikörperbildenden Immunzellen mit einer Krebszelllinie gelang es nämlich, unsterbliche Zellklone herzustellen, die Antikörper einer einzigen Spezifität produzieren. Diese monoklonalen Antikörper erkennen auf dem Antigen nur einen einzigen Bereich  und sind somit hochspezifisch.

Monoklonale Antikörper werden heute in der medizinischen Diagnostik und in zunehmendem Maße auch in der Therapie von Krankheiten verwendet. 

Ursprünglich stammen die meisten monoklonalen Antikörper aus Mäusen, weil das technisch am einfachsten war. Im Fall von therapeutischen Antikörpern ist das allerdings ein Nachteil, da die in den Blutkreislauf injizierten Antikörper vom Immunsystem des Patienten als Fremdstoffe erkannt werden und Abwehrreaktionen auslösen. Eine mehrmalige Behandlung mit einem solchen Antikörper ist daher im Allgemeinen nicht möglich. Im Laufe der Weiterentwicklung von therapeutischen Antikörpern wurden auf rekombinantem Weg immer mehr Mausanteile durch menschliche ersetzt – die Antikörper wurden humanisiert. Inzwischen ist es auch gelungen, vollhumane monoklonale Antikörper herzustellen, die keine unerwünschten Abwehrrektionen mehr auslösen.

Gut zu wissen

Um einen Antikörper in großem Maßstab herzustellen, wird das entsprechende Gen in das Genom von Produktionszelllinien eingebaut und der Antikörper in Fermentern produziert. Pro Ansatz können so innerhalb von zwei Wochen mehr als 20 kg Antikörper hergestellt werden.

Wie werden monoklonale Antikörper hergestellt?

Gute Antikörper herzustellen ist eine Sache für Spezialisten. Das Helmholtz Zentrum München hat bereits in den 1980er Jahren seine Forschungsplattform Monoklonale Antikörper gegründet, die bis heute eine wichtige Schnittstelle zwischen Forschung und Wirtschaft darstellt. Die Arbeitsgruppe unter Leitung von Dr. Elisabeth Kremmer ist in der Lage, kontinuierlich die Antikörper herzustellen, die genau auf die Bedürfnisse der anfragenden Wissenschaftler abgestimmt sind. In kurzer Zeit produzieren die Wissenschaftler maßgeschneiderte monoklonale Antikörper in hoher Qualität - pro Jahr gegen 300 verschiedene Antigene, Tendenz steigend.

Im Detail: Bildung und Vermehrung der Antikörper

Gemeinsam mit dem Auftraggeber wird zunächst geklärt, welches Antigen sich für die Produktion der gewünschten Antikörper am besten eignet. Denn manche Proteine lösen keine oder nur eine sehr schwache Immunantwort aus, sie sind nicht immunogen. Gegen sie kann man keine Antikörper herstellen.

Hat man schließlich eine immunogene Substanz gefunden, wird gegen diese im Tiermodell eine Immunantwort erzeugt. Die dabei aktivierten und gegen das Antigen gerichteten B-Lymphozyten der Körperabwehr werden entnommen und mit einer Tumorzelllinie, einer so genannten Myelomzelllinie, verschmolzen. Dabei geht die gewünschte Eigenschaft der B-Lymphozyten, einen spezifischen Antikörper zu produzieren, auf die Myelomzelle über und es entsteht ein so genanntes Hybridom. Dieses wird nun in der Zellkultur vermehrt, die ins Medium abgesonderten Antikörper entnommen und zu dem Antigen gegeben. Bindet der Antikörper spezifisch und stark an das eingesetzte Antigen, so hat es die gewünschte hohe Affinität und Spezifität. Für die weitere Charakterisierung werden die Antikörper an die Partner verschickt.

Wie wirken monoklonale Antikörper?

Antigen-Antikörper-Komplex
Antigen-Antikörper-Komplex: Ein Antikörper (graublau) bindet kleine Fremdproteine (grün). Grafik: Protein Data Bank

Einige Beispiele können verdeutlichen, auf welche Weise monoklonale Antikörper therapeutisch wirksam sein können:

Lungenkrebs - Schutz der T-Zellen für die körpereigene Abwehr

Der monoklonale Antikörper Nivolumab hat 2015 die europaweite Zulassung zur Behandlung von fortgeschrittenem nichtkleinzelligem Bronchialkrebs erhalten, Studien konnten belegen, dass der Antikörper die Behandlungsergebnisse von Lungenkrebspatienten, bei denen der Tumor nach Chemotherapie fortgeschritten war, verbesserte. 

Bindung von Botenstoffen

Der monoklonale Antikörper Infliximab bindet den Botenstoff TNF-alpha und neutralisiert zum Teil seine biologische Wirkung als Entzündungsfaktor. Infliximab ist zur Behandlung der Entzündungskrankheiten Morbus Crohn, rheumatoide Arthritis, Morbus Bechterew, Psoriasis, Psoriasis-Arthritis und Colitis ulcerosa zugelassen. Bevacizumab bindet den Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und wird unter anderem ebenfalls zur Behandlung von nicht-kleinzelligem Bronchialkarzinomen eingesetzt. Tumore benötigen ab einem Durchmesser von etwa einem Millimeter eine eigene Blutversorgung, um weiter wachsen zu können. Dieses Wachstum wird von dem Faktor VEGF induziert. Bevacizumab neutralisiert VEGF und verhindert dadurch die Bildung der Blutgefäße, der Tumor wird quasi ausgehungert. 

Bindung an Zell-Oberflächenmoleküle und Markierung zur Apoptose

Die meisten B-Lymphozyten tragen auf ihrer Oberfläche das Markermolekül CD20. Gegen dieses wurde, neben anderen, der monoklonale Antikörper Rituximab entwickelt. Bindet dieser an CD20, werden die Immunzellen in ihrer Entwicklung gestoppt und teilweise durch Apoptose eliminiert. Dadurch lassen sich sowohl entartete als auch Autoantikörper-produzierende B-Lymphozyten ausschalten. Rituximab ist für die Therapie von Non-Hodgkin-Lymphomen, der Chronischen Lymphatischen Leukämie (CLL) und der Autoimmunerkrankung Rheumatoide Arthritis zugelassen. 

Neutralisation von Antikörpern bei allergischem Asthma

Omalizumab neutralisiert Antikörper vom IgE-Typ, die wesentlich an der Entzündungsreaktion beteiligt sind.

Seit dem Jahr 2005 ist Omalizumab, ein monoklonaler Anti-IgE-Antikörper, zur Therapie von IgE-vermitteltem allergischem Asthma zugelassen. Im Juli 2012 hat der Gemeinsame Bundesausschuss diesen Antikörper in das Disease Management Programm zur Behandlung von schwerem Asthma aufgenommen. 

Passive Immunisierung gegen Viren

Seit 1999 ist der monoklonale Antikörper Palivizumab verfügbar, der das Eindringen von Respiratorischen Syncytialviren (RSV) in Körperzellen und ihre Vermehrung verhindert. Er wird Hochrisiko-Kindern (Frühgeborene, Kinder mit bronchopulmonaler Dysplasie oder schweren angeborenen Herzfehlern) prophylaktisch während der Erkältungssaison verabreicht.

Keine Erfolgsgarantie

Nicht jeder viel versprechende Antikörper führt auch tatsächlich zum gewünschten Erfolg. Ein humanisierter Antikörper namens TGN1412, der das CD28-Protein auf der Oberfläche von T-Lymphozyten erkennt und dazu gedacht war, bei Autoimmunkrankheiten und Blutkrebs ein zu stark oder zu schwach reagierendes Immunsystem therapeutisch auszubalancieren, hatte in Phase I-Studien fatale Wirkungen: Alle sechs Probanden, die den Wirkstoff erhielten, erkrankten lebensgefährlich an multiplem Organversagen und mussten zum Teil künstlich beatmet werden. Grund für die Erkrankung war eine vom Antikörper verursachte Ausschüttung großer Mengen an entzündungsauslösenden Botenstoffen (ein so genannter „Zytokinsturm“). Alle Probanden überlebten den Zwischenfall, konnten aber erst nach Wochen aus der Klinik entlassen werden.

 

Antikörperfragmente

Ableitung von Antikörperfragmenten aus Antikörpern.
Ableitung von Antikörperfragmenten aus Antikörpern.

Es werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um von den relativ großen Antikörpern – ihre Größe beträgt etwa 150 kDa – kleinere funktionelle Derivate abzuleiten. Man erhofft sich davon, dass diese noch spezifischere und effektivere therapeutische Wirkungen haben – eventuell sogar bei geringeren Dosierungen –, weniger Nebenwirkungen verursachen, stabiler sind, eventuell auch ohne Glykosylierung funktionieren und/oder einfacher und kostengünstiger herzustellen sind. Small Modular Immunopharmaceuticals (SMIPs) bestehen zum Beispiel nur aus den antigenbindenden variablen Bereichen der Fab-Region und den für die Aktivierung von Immunzellen notwendigen Bereichen der Fc-Region, die über Linker zu einer einzigen Polypeptidkette verknüpft sind.

Wo geht die Forschung hin?

Ableitung von Antikörperfragmenten aus Antikörpern.
Ableitung von Antikörperfragmenten aus Antikörpern.

Wirksamer, kleiner und langlebiger - das sind die vorrangigen Ziele, die sich Forscher für die Optimierung und Weiterentwicklung monoklonaler Antikörper heute setzen. Dafür gibt es bereits zahlreiche konkrete Ansätze.

Antikörperfragmente

Es werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um von den relativ großen Antikörpern – ihre Größe beträgt etwa 150 kDa – kleinere funktionelle Derivate abzuleiten. Man erhofft sich davon, dass diese noch spezifischere und effektivere therapeutische Wirkungen haben – eventuell sogar bei geringeren Dosierungen –, weniger Nebenwirkungen verursachen, stabiler sind, eventuell auch ohne Glykosylierung funktionieren und/oder einfacher und kostengünstiger herzustellen sind. Small Modular Immunopharmaceuticals (SMIPs) bestehen zum Beispiel nur aus den antigenbindenden variablen Bereichen der Fab-Region und den für die Aktivierung von Immunzellen notwendigen Bereichen der Fc-Region, die über Linker zu einer einzigen Polypeptidkette verknüpft sind. Bei Fab-Fragmenten ist mit gentechnischen Methoden der gesamte Antikörper-Stamm entfernt worden.

BiTE-Antikörper

BiTE-Antikörpersetzen sich nur aus zwei verschiedenen Paaren variabler Domänen zusammen. Der Name BiTE = Bispecific T-cell Engager erklärt ihre Funktion: Ein Paar variable Domänen binden an einen Oberflächenmarker auf Tumorzellen, das andere an eine T-Zelle, um beide in eine räumliche Nähe zueinander zu bringen, die T-Zellen zu aktivieren und so die Zerstörung der Tumorzelle einzuleiten. Normalerweise können Antikörper keine T-Zellen aktivieren, weil diesen die entsprechenden Rezeptoren zur Antikörperbindung fehlen. Erste BiTE-Antikörper, wie zum Beispiel Blinotumomab zur Behandlung der akuten lymphatischen Leukämie, sind bereits zugelassen, andere befinden sich in klinischen Studien.

Miniatur-Antikörper

Strukturmodell eines Nanobodys Foto: Wikipedia

Nanobodies

Noch kleiner sind so genannte Nanobodies. Ein Nanobody stellt eine einzelne variable Domäne einer nur aus schweren Polypeptidketten bestehenden Sonderform von Antikörpern dar, die bei Kamelen gefunden wurde. Wegen ihrer geringen Größe scheinen Nanobodies gut in Vertiefungen ihrer Targets binden können. Ihre hohe pH- und Temperaturresistenz könnte eventuell eine orale Anwendung beispielsweise bei Magen-Darm-Erkrankungen gestatten. Erste Nanobodies befinden sich in klinischen Phase I-Studien.

Domain Antibodies

Auch die nur etwa 13 kDa großen Domain Antibodies sind Derivate einzelner variabler Domänen, jedoch von schweren beziehungsweise leichten Polypeptidketten menschlicher Antikörper. Viele solcher Domain Antibodies sind sehr stabil und verlieren ihre Wirksamkeit weder durch Gefriertrocknung noch durch hohe Temperaturen – manche überstehen sogar Kochen. Domain Antibodies könnten in Zukunft bei Atemwegserkrankungen inhaliert oder bei Krankheiten des Verdauungstrakts oral eingenommen werden, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren.

Stabilere Antikörper nach Vorbildern aus dem Tierreich

Entscheidend für  Herstellung und Einsatz der Antikörper ist vor allen Dingen auch ihre Stabilität. Neue Ansätze zur Verbesserung der Stabilität erhoffen sich Wissenschaftler aus der Untersuchung von Antikörpern der Haifische. Ihr Blut enthält große Mengen an Harnstoff, der eigentlich Antikörpermoleküle destabilisiert. Münchner Wissenschaftler vom Helmholtz Zentrum München und der Technischen Universität München haben sie identifiziert und in menschliche Antikörper eingebaut, was deutlich stabilere Fragmente hervorbrachte. 

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Informationen zum Inhalt

Quellen:

Wissenschaftliche Beratung und Zusammenarbeit:

Prof. Michael Sattler, Dr. Eva Schlosser, Helmholtz Zentrum München, Institut für Strukturbiologie
Dr. Regina Feederle, Helmholtz Zentrum München, Core Facility Monoklonale Antikörper

Quellen: 

Klebe, Gerhard: Wirkstoffdesign – Entwurf und Wirkung von ArzneistoffenSpektrum Akademischer Verlag, 2. Auflage 2009, 634 Seiten, ISBN: 978-3-8274-2046-6

Weiterführende Informationen

Letzte Aktualisierung:

17.02.2016

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