Zelltherapie-Wissen – Herstellung und Wirkung von CAR-T-Zellen

Der CAR ist ein eigens für die CAR-T-Zelltherapie entwickeltes Fusionsprotein, das verschiedene Mechanismen der T-Zell-Aktivierung in einem Protein vereint. Über diesen CAR können CAR-T-Zellen Antigene erkennen und binden, woraufhin die Aktivierungskaskade in die CAR-T-Zelle hinein weitergeleitet wird. Der CAR besteht aus einer extrazellulären Antigen-bindenden Domäne, einer Transmembrandomäne und einer intrazellulären Domäne. Die extrazelluläre Domäne ist vom Single-chain variable fragment (scFv)-Segment der Antigen-Bindungsregion eines monoklonalen Antikörpers abgeleitet. Die intrazellulären Domänen besitzen Bestandteile des T-Zell-Rezeptors und vermitteln die Aktivierung der CAR-T-Zellfunktion.Maus MV, Levine BL. Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy for the Community Oncologist. Oncologist. 2016;21(5):608-17. doi:10.1634/theoncologist.2015-0421 Dazu gehören die Aktivierungsdomäne CD3ζ, die bereits eine potente zytotoxische T-Zellantwort ermöglicht, sowie eine kostimulatorische Domäne.

Die mit dem CAR ausgestatteten T-Zellen sind vom Haupthistokompatibilitätskomplex (major histocompatibility complex, MHC)-Molekülen unabhängig, sie benötigen also für ihre Aktivierung – anders als physiologische T-Zellen – keine Prozessierung und Präsentation von Antigen auf der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen.Maus MV, Levine BL. Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy for the Community Oncologist. Oncologist. 2016;21(5):608-17. doi:10.1634/theoncologist.2015-0421 Die für CAR-T-Zellen der zweiten Generation charakteristische Kostimulation durch 4-1BB oder CD28 unterstützt die Aktivierung der CAR-T-Zellen. CAR-T-Zelltherapien der zweiten Generation zeichnen sich somit durch eine verstärkte T-Zellantwort und eine erhöhte Proliferation und Persistenz der Zellen gegenüber CAR-T-Zelltherapien der ersten Generation aus. Friedman KM, Garrett TE, Evans JW, et al. Effective Targeting of Multiple B-Cell Maturation Antigen-Expressing Hematological Malignances by Anti-B-Cell Maturation Antigen Chimeric Antigen Receptor T Cells. Hum Gene Ther. 2018;29(5):585-601. doi:10.1089/hum.2018.001 Madduri D, Dhodapkar MV, Lonial S, Jagannath S, Cho HJ. SOHO state of the art updates and next questions: T-cell-directed immune therapies for multiple myeloma: Chimeric antigen receptor-modified T cells and bispecific T-cell-engaging agents. Clin Lymphoma Myeloma Leuk. 2019;19(9):537-544. doi:10.1016/j.clml.2019.08.002 Zhang C, Liu J, Zhong JF, Zhang X. Engineering CAR-T cells. Biomark Res. 2017;5:22. doi:10.1186/s40364-017-0102-y

Die Verwendung unterschiedlicher kostimulatorischer Domänen kann das Verhalten von CAR-T-Zellen unterschiedlich beeinflussen. So verstärkt die Kostimulation mit CD28 die „Erschöpfung“ von CAR-T-Zellen, wohingegen Kostimulation mit 4-1BB deren Persistenz verbessert.Larson RC, Maus MV. Recent advances and discoveries in the mechanisms and functions of CAR T cells. Nat Rev Cancer. 2021;21(3):145-161. doi:10.1038/s41568-020-00323-z Long AH, Haso WM, Shern JF, et al. 4-1BB costimulation ameliorates T cell exhaustion induced by tonic signaling of chimeric antigen receptors. Nat Med. 2015;21(6):581-90. doi:10.1038/nm.3838 Weinkove R, George P, Dasyam N, McLellan AD. Selecting costimulatory domains for chimeric antigen receptors: functional and clinical considerations. Clin Transl Immunology. 2019;8(5):e1049. doi:10.1002/cti2.1049 Zudem scheint 4-1BB als kostimulatorische Domäne alles in allem weniger Neurotoxizität und CRS zu verursachen als die CD28-Domäne.Larson RC, Maus MV. Recent advances and discoveries in the mechanisms and functions of CAR T cells. Nat Rev Cancer. 2021;21(3):145-161. doi:10.1038/s41568-020-00323-z

Nach der Infusion vermehren sich die CAR-T-Zellen wie andere Zellen auch im Körper und begeben sich im Blut auf die „Suche“ nach Krebszellen, auf deren direkte Zerstörung sie programmiert sind.Subklewe M, von Bergwelt-Baildon M, Humpe A. Chimeric Antigen Receptor T Cells: A Race to Revolutionize Cancer Therapy. Transfus Med Hemother. 2019;46(1):15-24. doi:10.1159/000496870 CAR-T-Zellen können zudem langfristig als „lebendes Medikament“ im Körper verbleiben, um die malignen Zellen jederzeit erneut zu eliminieren.Maus MV, Levine BL. Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy for the Community Oncologist. Oncologist. 2016;21(5):608-17. doi:10.1634/theoncologist.2015-0421

Die CAR-T-Zelltherapie ist eine individuelle Therapie, bei der jedes CAR-T-Zellprodukt für jede:n Patient:in einzeln hergestellt wird. Die Herstellung ist aufwändig und bedarf Zeit. Sie erfolgt in der Regel in einer externen Herstellungsstätte und unterliegt strengen Qualitätsstandards und einer sehr sorgfältigen Überwachung.Subklewe M, von Bergwelt-Baildon M, Humpe A. Chimeric Antigen Receptor T Cells: A Race to Revolutionize Cancer Therapy. Transfus Med Hemother. 2019;46(1):15-24. doi:10.1159/000496870  Wang X, Riviere I. Clinical manufacturing of CAR T cells: foundation of a promising therapy. Mol Ther Oncolytics. 2016;3:16015. doi:10.1038/mto.2016.15 Müller AM. CAR-T-Zell-Therapie. Wirkprinzip, Indikationen, Produkte, Einschätzung für die klinische Praxis. Schweizer Zeitschrift für Onkologie. 2020;1:6-10.

Im ersten Schritt der Herstellung werden Leukozyten bzw. periphere mononukleäre Blutzellen (PBMC) mittels Apherese aus dem Blut der/s Patient:in gewonnen. Dieses Ausgangsmaterial wird zur Herstellungsstätte transportiert, um dort daraus die T-Zellen zu selektieren. Anschließend erfolgt die Integration der CAR codierenden Sequenz in das Genom der T-Zellen mittels retro- oder lentiviraler Vektoren durch Transduktion (Gentransfer durch Viren). Die so entstandenen CAR-T-Zellen werden anschließend vermehrt und nach ausführlichen Qualitätskontrollen in der richtigen Dosis zum Behandlungszentrum transportiert.

Nach Abschluss des Herstellungsprozesses durchlaufen die patientenspezifischen CAR-T-Zellen vielfältige Tests zur Qualitätssicherung. Anschließend werden die Zellen kryokonserviert und an das Behandlungszentrum transportiert, aufgetaut und der/dem Patient:in nach einer vorbereitenden Lymphodepletion als einmalige Infusion reinfundiert.Subklewe M, von Bergwelt-Baildon M, Humpe A. Chimeric Antigen Receptor T Cells: A Race to Revolutionize Cancer Therapy. Transfus Med Hemother. 2019;46(1):15-24. doi:10.1159/000496870 Wang X, Riviere I. Clinical manufacturing of CAR T cells: foundation of a promising therapy. Mol Ther Oncolytics. 2016;3:16015. doi:10.1038/mto.2016.15

Die CAR-T-Zelltherapie beruht auf dem Prinzip, die körpereigene T-Zell-induzierte Immunantwort zu aktivieren und gezielt gegen die Tumorzellen zu richten. CAR-T-Zellen erkennen dabei ihr Zielantigen auf Tumorzellen so empfindlich wie ein Antikörper und attackieren sie mit der hohen Zerstörungskraft zytotoxischer T-Zellen. Dai H, Wang Y, Lu X, Han W. Chimeric Antigen Receptors Modified T-Cells for Cancer Therapy. J Natl Cancer Inst. 2016;108(7)doi:10.1093/jnci/djv439 Wieder zurück im Körper des Patienten sind bereits wenige dieser genetisch modifizierten CAR-T-Zellen in vivo zur exponenziellen Proliferation und zu massiven Immunantworten fähig. Nach Bindung an ihr Antigen und Aktivierung eliminieren CAR-T-Zellen maligne Zellen vor allem durch Zelllyse. Dies geschieht im Wesentlichen in drei Schritten.Hartmann J, Schussler-Lenz M, Bondanza A, Buchholz CJ. Clinical development of CAR T cells-challenges and opportunities in translating innovative treatment concepts. EMBO Mol Med. 2017;9(9):1183-1197. doi:10.15252/emmm.201607485 Boyiadzis MM, Dhodapkar MV, Brentjens RJ, et al. Chimeric antigen receptor (CAR) T therapies for the treatment of hematologic malignancies: clinical perspective and significance. J Immunother Cancer. 2018;6(1):137. doi:10.1186/s40425-018-0460-5

Normalerweise erkennt der physiologische T-Zellrezeptor nur Antigene, die über MHC auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen präsentiert werden, was u. a. eine Toleranz gegenüber körpereigenen Zellen ermöglicht.Bridgeman JS, Sewell AK, Miles JJ, Price DA, Cole DK. Structural and biophysical determinants of αβ T-cell antigen recognition. Immunology. 2012;135(1):9-18. doi:10.1111/j.1365-2567.2011.03515.xTumorzellen sind aber in der Lage, die Expression von MHC zu reduzieren, sodass sie nicht mehr als Zielzelle erkennbar sind, um sich damit der körpereigenen Immunantwort zu entziehen.Cornel AM, Mimpen IL, Nierkens S. MHC Class I Downregulation in Cancer: Underlying Mechanisms and Potential Targets for Cancer Immunotherapy. Cancers (Basel). 2020;12(7)doi:10.3390/cancers12071760 Aufgrund der MHC-unabhängigen Wirkung können CAR-T-Zellen diesen Immunevasionsmechanismus des Tumors umgehen.

CAR-T-Zellen persistieren zudem als lebendes Medikament über einen längeren Zeitraum im Organismus und bilden – analog zu physiologischen T-Zellen − ein immunologisches Gedächtnis aus. So können Gedächtniszellen, die während der ersten Immunreaktion entstehen, bei erneutem Kontakt mit demselben Antigen rasch reagieren und die Vermehrung spezifischer Abwehrzellen initiieren.McLellan AD, Ali Hosseini Rad SM. Chimeric antigen receptor T cell persistence and memory cell formation. Immunol Cell Biol. 2019;97(7):664-674. doi:10.1111/imcb.12254

Die Entwicklung von Immuntherapien und zellbasierten Therapien schreitet schnell voran. Folgende Tumorentitäten – allesamt B-Zell-Neoplasien - können derzeit in Europa mit kommerziell verfügbaren CAR-T-Zelltherapien behandelt werden (Stand: November 2022).Rote Liste® Service GmbH. Rote Liste. Abgerufen am 03.05.2022. https://www.rote-liste.de

Weitere potenzielle molekulare Targets neben CD19 und dem B-Zell-Reifungsantigen (BCMA) umfassen u. a. CD20, CD22, CD30, CD38, Igk-Leichtketten, den Natural-Killer Group 2 Member D (NKG2D)-Liganden und den Rezeptortyrosinkinase-ähnlichen Orphan-Rezeptor 1 (ROR1).Haslauer T, Greil R, Zaborsky N, Geisberger R. CAR T-Cell Therapy in Hematological Malignancies. Int J Mol Sci. 2021;22(16)doi:10.3390/ijms22168996 Subklewe M, von Bergwelt-Baildon M, Humpe A. Chimeric Antigen Receptor T Cells: A Race to Revolutionize Cancer Therapy. Transfus Med Hemother. 2019;46(1):15-24. doi:10.1159/000496870