CAR-T-Zellen: Die Pioniere der Immuntherapie

Verfasst von Sara Santo

Ist es nicht faszinierend, sich Zellen des eigenen Körpers als maßgeschneiderte Therapeuten gegen Krankheiten vorzustellen? Was vor einigen Jahren noch nach einer fixen Idee klang, ist durch die Entwicklung von sogenannten CAR-T-Zellen inzwischen Realität. Diese innovative Technologie ermöglicht nicht nur neue Perspektiven bei der Behandlung von Tumoren, wie beispielsweise B-Zell-Malignomen, sondern bietet auch vielversprechende Ansätze für die Bekämpfung von Infektionskrankheiten und chronischen Entzündungskrankheiten wie HIV/AIDS oder Lupus [1].

Aufgrund des enormen Potentials nimmt die Forschung mit und an CAR-T-Zellen immer mehr Fahrt auf. In diesem Artikel tauchen wir ein in die Grundlagen und neuesten Entwicklungen, um Ihnen einen umfassenden Einblick in die CAR-T-Forschung zu bieten. Erfahren Sie, wie CAR-T-Zellen mit ihrer bedeutenden Rolle in der Immuntherapie neue Horizonte in der Medizin eröffnen. Mit BPS Bioscience als unseren verlässlichen Lieferanten stehen wir Ihnen zur Verfügung, um Sie mit den neuesten Tools zu unterstützen und die Zukunft der CAR-T-Forschung voranzutreiben.

Diese Themen warten auf Sie:

1) T-Zellen sind die Wächter des Immunsystems

2) Wie sind CAR-T-Zellen aufgebaut?

3) Signaltransduktion: T-Zelle vs. CAR-T-Zelle

4) Innovative Perspektiven in der CAR-T-Zelltherapie mit dem CRISPR/Cas9-System

5) Die vielfältige Unterstützung von BPS Bioscience

6) Top-Produkte von BPS Bioscience

7) Innovationskraft in der Immuntherapie

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T-Zellen sind die Wächter des Immunsystems

Auf nahezu jeder Zelle im Körper werden endogene Peptide (Antigene) von intrazellulären Proteinen über den Haupthistokompatibilitätskomplex (major histocompatibility complex, MHC) an patrouillierende T-Zellen präsentiert. Durch diese sogenannte Antigenpräsentation erhalten die T-Zellen Informationen darüber, welche Proteine in den jeweiligen Zellen zu dem Zeitpunkt synthetisiert werden. Wenn eine Zelle von einem Virus infiziert ist oder eine bösartige genetische Transformation durchläuft, gewährleistet dieser hochregulierte Mechanismus, dass die fremden oder mutierten Peptide den Zellen des Immunsystems gezeigt werden. Jede T-Zelle verfügt über einen spezifischen T-Zell-Rezeptor (T cell receptor, TCR), der ständig den Organismus nach fremdartigen Signalen und/oder entarteten Zellen durchsucht. Sobald eine potentielle Gefahr erkannt wird, lösen die T-Zellen eine Immunantwort aus und andere Zellen des Immunsystems, wie zytotoxische T-Zellen, werden rekrutiert. T-Zellen sind präzise und effiziente Detektoren von fremden Antigenen, sei es von pathogenen Eindringlingen oder bösartig veränderten Zellen [2]. 

Wie sind CAR-T-Zellen aufgebaut?

Diese besonderen Eigenschaften der T-Zellen waren die Grundlage für die Entwicklung der  genetisch modifizierten CAR-T-Zellen, die sich in Ihrem Aufbau durch sogenannte chimäre Antigenrezeptoren (chimeric antigen receptor, CAR) von herkömmlichen T-Zellen unterscheiden. Diese synthetisch hergestellten Fusionsproteine sind an der Zellmembran der CAR-T-Zellen lokalisiert (Abb. 1). Die extrazelluläre Domäne des CARs besteht aus dem scFv-Fragment, welches die variable Untereinheit eines Antikörpers darstellt. Ein flexibler Linker sind verbindet die schwere und die leichte Kette kovalent (Abb.1). Dieses extrazelluläre Antikörper-Fragment bindet an fremdartige Antigene und dient somit indirekt der Entdeckung von Infektionen oder entarteten Zellen.

Die intrazelluläre Domäne, die den CD3ζ-Komplex und co-stimulierende Elemente umfasst, spielt eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung und Aktivierung der CAR-T-Zelle nach der Erkennung des Zielantigens durch die extrazelluläre Domäne. Im Verlauf der wissenschaftlichen Fortschritte wurden CARs mehrfach modifiziert, wodurch vier Generationen entstanden, die sich in ihrer intrazellulären Domäne unterscheiden (Abb. 1).

Abbildung 1: Generationen der CAR-T-Zellen und detaillierte Ansicht des scFv-Fragments. Von links nach rechts: Erste Generation bestehend aus einer CD3ζ-Domäne. Zweite Generation bestehend aus einer CD3ζ-Domäne und einer co-stimulierenden Domäne. Dritte Generation bestehend aus einer CD3ζ-Domäne und zwei co-stimulierenden Domänen. Vierte Generation/Next-Generation bestehend aus einer CD3ζ-Domäne, einer Domäne zur Zytokinproduktion und einer co-stimulierenden Domäne.  Vergrößerung des scFv-Fragments, welches bei jeder Generation unverändert ist, zeigt Herkunft vom Antikörper (erstellt mit BioRender.com).

Die erste Generation enthielt nur CD3ζ, diese war jedoch für die Tumortherapie ineffektiv [3]. Daher wurde den CARs der zweiten Generation ein co-stimulierendes Molekül hinzugefügt. CARs der dritten Generation bestehen aus zwei co-stimulierenden Domänen, die mit CD3ζ verbunden sind. Die „Next-Generation CARs“ enthalten anstatt der zweiten co-stimulierenden Domäne eine Domäne zur Produktion von Zytokinen. Die Zytokine helfen dabei, die korrekte Immunantwort zu modulieren und Entzündungsprozesse zu regulieren [4]. Diese Veränderungen verbessern die Fähigkeit, mehr und langlebigere CAR-T-Zellen zu produzieren [5].

Signaltransduktion: T-Zelle vs. CAR-T-Zelle

Grundsätzlich hat jede zellkernhaltige Körperzelle die Fähigkeit zur Antigenpräsentation über den MHC. Im Moment der Antigenpräsentation wird diese Zelle dann als Antigen-präsentierende Zelle (antigen-presenting cell, APC) bezeichnet (Abb. 2). Nach der Bindung des MHC/Antigen-Komplexes mit dem TCR wird die T-Zelle durch zwei Signale aktiviert. Signal 1 tritt auf, wenn CD4 oder CD8 an einen MHC bindet, wodurch der CD3ζ-Komplex aktiviert wird. Signal 2 erfolgt durch die co-stimulierende Interaktion von zwei Rezeptoren, was eine enzymatische Signalkaskade auslöst (Abb. 2).

Abbildung 2: Signalkaskade und Antigenbindung von herkömmlicher T-Zelle und CAR-T-Zelle. Links: Herkömmliche T-Zelle. Antigen/MHC wird auf der APC präsentiert und vom TCR gebunden. CD4/8-Bindung an MHC löst Signal 1 aus. Co-stimulierendes Signal 2 wird durch CD28 Bindung an CD80/CD86 hervorgerufen. Rechts: CAR-T-Zelle. Tumorantigen bindet an scFv Fragment von CAR-T-Zelle und intrazellulär werden Signal 1 und 2 ausgelöst (erstellt mit BioRender.com).

CARs zeichnen sich durch ihre Unabhängigkeit von der Antigenpräsentation über den MHC aus. Stattdessen bindet die extrazelluläre CAR-Erkennungsdomäne direkt an das Antigen (bspw. von einer Tumorzelle), was zur Aktivierung der CAR-T-Zelle führt. Der CD3ζ-Komplex bestätigt die Antigenerkennung, wodurch Signal 1 erzeugt wird und die co-stimulierenden Domänen sind verantwortlich für da Auslösen des Signals 2 (Abb. 2). Die Ineffektivität der ersten Generation CARs lässt sich darauf zurückführen, dass das Signal 2 zur vollständigen Aktivierung der T-Zelle gefehlt hat [3].

Tumorzellen umgehen oft das Immunsystem, indem sie die Antigenpräsentation über den MHC vermeiden, weshalb diese Unabhängigkeit von der MHC-Präsentation einen bedeutenden Vorteil der CAR-T-Zellen in der Bekämpfung von Krebs darstellt [6].

Innovative Perspektiven in der CAR-T-Zelltherapie mit dem CRISPR/Cas9-System

Doch wie werden die CARs nun zu therapeutischen Zwecken zur Behandlung von Krebs oder anderen Krankheiten eingesetzt? Dies geschieht über die gleichnamige CAR-T-Zelltherapie, welche mit der Entnahme von T-Zellen des Patienten beginnt. Diese werden genetisch modifiziert, um CARs auf ihrer Oberfläche zu exprimieren, und anschließend kultiviert, um in den Körper des Patienten zurückgebracht zu werden. Dort sollen die CAR-T-Zellen gezielt die fremden Antigene mit ihrem spezifischen Antikörperfragment binden, dadurch eine zytotoxische Immunantwort auslösen und so die Erkrankung des Patienten bekämpfen [7].

Die Fortschritte in der CAR-T-Zelltherapie haben einen revolutionären Einfluss auf die Tumorbehandlung gezeigt. Trotz des Erfolgs gibt es weiterhin Herausforderungen, wie die begrenzte Persistenz und Effektivität von CAR-T-Zellen. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden und die therapeutischen Potenziale zu erweitern, hat sich bereits die Integration des CRISPR/Cas9-Systems als präzises und leistungsstarkes Werkzeug erwiesen [8].

Die CRISPR/Cas9-Technologie basiert auf einem Prinzip der bakteriellen Immunabwehr und hat sich als wegweisende Methode in der Geneditierung etabliert. Wird ein Bakterium von einem Virus oder Phagen infiziert, integriert das Bakterium Teile des fremden Erbguts in seine eigene DNA. Bei mehreren Infektionen durch verschiedene Viren/Phagen entsteht eine Sammlung von kurzen Sequenzen fremder DNA (sogenannte „Spacer“), die durch kurze, sich wiederholende Sequenzen voneinander getrennt sind. Gemeinsam bilden sie den CRISPR-Locus (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), der den Bakterien zur Abwehr von Infektionen dient. Bei einer erneuten Infektion werden RNA-Moleküle aus dem CRISPR-Locus synthetisiert, welche als sgRNA (single guide RNA) bezeichnet und mit dem Cas9-Protein fusioniert werden. Cas9 dient als Endonuklease und wird durch die sgRNA zu dem entsprechenden Abschnitt auf der fremden DNA geführt. Dort katalysiert Cas9 einen Doppelstrangbruch in der DNA, was zur Zerstörung des Virus führt.

In der Wissenschaft wird CRISPR/Cas9 bereits für die Optimierung der CAR-T-Zellen eingesetzt. Die therapeutische Wirksamkeit der CAR-T-Zellen hängt von den Effektor-Funktionen der T-Zellen des Patienten ab. Die Effektor-Funktion beschreibt die Fähigkeit der T-Zellen, eine zytotoxische Immunantwort gegen die infizierten oder mutierten Zellen zu bewirken. Allerdings führt die immunsuppressive Mikroumgebung des Tumors zur Erschöpfung der T-Zellen, was wiederum eine schlechte Expansion und Persistenz der CAR-T-Zellen bewirkt. Das Editieren von inhibitorischen Checkpoint-Rezeptoren und bestimmten Transkriptionsfaktoren mittels CRISPR hilft dabei, die Erschöpfung der T-Zellen einzudämmen [9]. Darüber hinaus ermöglicht das CRISPR/Cas9-System gezielte Anpassungen, um die Bindungsaffinität von CAR-T-Zellen gegenüber Zielantigenen zu verbessern. Diese Ansätze können die Wirksamkeit der Immuntherapie steigern und den Problemen bei dem Einsatz von CAR-T-Zellen entgegenwirken. 

Allerdings sind mit dem CRISPR/Cas9-System auch Herausforderungen verbunden. Off-Target-Mutationen, bei denen die genetischen Modifikationen ungewollte Auswirkungen auf andere Gene haben könnten, stellen ein großes Risiko dar. Strategien wie die optimierte Gestaltung von sgRNAs und die Auswahl verschiedener Cas-Nukleasen sind entscheidend, um diese Nebenwirkungen zu minimieren [8].

Die vielfältige Unterstützung von BPS Bioscience

BPS Bioscience bietet eine breite Auswahl an hochwertigen Produkten für Ihre CAR-T-Zelltherapie-Forschung an.  Lentiviren werden für die Übertragung von CAR-Genen in die entnommenen T-Zellen verwendet. Hierfür werden Lentiviren mit unterschiedlichen Antigenspezifitäten angeboten, die vor allem die effiziente Entwicklung von CAR-T-Zellen zur Behandlung von hämatologischen Malignitäten, wie B-Zell-Tumore, ermöglichen. Darüber hinaus bieten die TCR CRISPR/Cas9-Lentiviren die Möglichkeit der gezielten genetischen Veränderung von TCR-Genen. Mit verschiedenen Knockout- und/oder Reporterzelllinien können die Funktionen von Immunzellen, wie zytotoxischen T-Zellen, oder Schlüsselmolekülen, wie NFAT (Produktion von Zytokinen), untersucht werden. Die Untransduced T Cells können als Negativkontrolle bei Experimenten mit CAR-T-Zellen verwendet werden, um spezifische Effekte zu untersuchen.

Die Produkte von BPS Bioscience ebnen den Weg für Ihre Arbeit an und mit CAR-T-Zellen.  Entdecken Sie einige der Highlight-Produkte von BPS Bioscience zum CRISPR/Cas9-System und CAR-T-Zellen:

Alle Produkte von BPS Bioscience

Innovationskraft in der Immuntherapie

Die CAR-T-Zelltherapie zeigt sich als Durchbruch in der Krebsbehandlung und ihre Anwendung erstreckt sich über Tumoren hinaus. Durch Technologien wie die CAR-T-Zelltherapie und das CRISPR/Cas9-System sieht die Zukunft der Behandlung von Krebs und vielen anderen Erkrankungen, die in der Vergangenheit als „unheilbar“ galten, sehr vielversprechend aus.

Unser Partner BPS Bioscience stellt fortschrittliche Werkzeuge für die Forschung an CAR-T-Zellen und am CRISPR/Cas9-System bereit. Mit weiterer Forschung könnte dies eine Revolution in der Krankheitsbehandlung bedeuten.

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Die Entwicklung von Chimeric Antigen Receptor (CAR)-exprimierenden T-Zellen hat bei der Behandlung einiger Krebsarten erhebliche Fortschritte gemacht und könnte auch bei Transplantationen und chronischen Entzündungen eingesetzt werden. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Therapien zu verbessern und zu erweitern und um schädliche Nebenwirkungen zu begrenzen. Die Zukunft der CAR-T-Forschung ist vielversprechend, und unser Partner BPS Bisoscience entwickelt weiterhin einzigartige Zelllinien und andere Instrumente, die den Forschern helfen, CAR-T-Zellen zu entwickeln, zu bewerten und zu verbessern, um die menschliche Gesundheit zu verbessern. Aktualisiert im März 2023.

CRISPR-Cas9 ist eine Technik für die Genom-Editierung, die von bakteriellen antiviralen Immunmechanismen abgeleitet ist. Bakterien fangen DNA-Fragmente von eindringenden Viren ab und speichern sie in einer Region ihres Genoms. Diese CRISPR-Führungssequenzen (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) helfen, die Bakterien zu erkennen und vor zukünftigen Infektionen zu schützen. Wenn die CRISPR-Führungssequenzen ein eindringendes Virus oder eine DNA erkennen, deren Sequenz komplementär zur CRISPR-Führungssequenz ist, wird die Cas9-Nuklease (CRISPR-associated protein 9) rekrutiert, um die eindringende DNA spezifisch zu spalten, was zu deren Abbau führt. Aktualisiert im März 2023.

Zu den Katalogen von BPS Bioscience

Quellen

[1] https://bpsbioscience.com/car-t-cell-therapy-technical-note (07.02.2024)

[2] Labanieh, L., Majzner, R. G. und Mackall, C. L. (2018) „Programming CAR-T cells to kill cancer“, Nature biomedical engineering, 2(6), S. 377–391. doi: 10.1038/s41551-018-0235-9.

[3] Mitra, A. u. a. (2023) „From bench to bedside: the history and progress of CAR T cell therapy“, Frontiers in immunology, 14. doi: 10.3389/fimmu.2023.1188049.

[4] https://www.onmeda.de/gesundheit/anatomie/zytokine-id201341/ (07.02.2024)

[5] Tomasik, J., Jasiński, M. und Basak, G. W. (2022) „Next generations of CAR-T cells - new therapeutic opportunities in hematology?“, Frontiers in immunology, 13. doi: 10.3389/fimmu.2022.1034707.

[6] Srivastava, S. und Riddell, S. R. (2015) „Engineering CAR-T cells: Design concepts“, Trends in immunology, 36(8), S. 494–502. doi: 10.1016/j.it.2015.06.004.

[7] Katalog, BPS Bioscience: CAR-T Cell Tools for Engineering the Immune System

[8] Wei, W., Chen, Z.-N. und Wang, K. (2023) „CRISPR/Cas9: A powerful strategy to improve CAR-T cell persistence“, International journal of molecular sciences, 24(15), S. 12317. doi: 10.3390/ijms241512317.

[9] Manriquez-Roman, C., Siegler, E. L. und Kenderian, S. S. (2021) „CRISPR takes the front seat in CART-cell development“, BioDrugs: clinical immunotherapeutics, biopharmaceuticals and gene therapy, 35(2), S. 113–124. doi: 10.1007/s40259-021-00473-y.