Tumor-Nekrose-Faktor
Therapeutische Strategien zu Synthesehemmung unc Antaconismus
MEDIZIN DIE ÜBERSICHT
Stefan Endres Bhanu Sinha Andreas Eigler
LT( öslische Proteine als Botenstof- fe des Immunsystems werden als Zytokine bezeichnet. Viele rankheitsphänomene, die durch Zytokine vermittelt werden, sind seit Menschengedenken bekannt, wie zum Beispiel das Fieber. Seit eini- gen Jahren weiß man, daß bei systemi- schen Infektionserkrankungen nicht der Erreger selbst, sondern die Wirts- antwort durch Produktion unter ande- rem von Zytokinen wesentlich den Krankheitsverlauf prägt. Hierzu tra- gen dieselben Entzündungsmediato- ren wie bei Autoimmunerkrankungen bei. Zur Gruppe der pro-inflammato- rischen Zytokine zählen der Tumor- Nekrose-Faktor (TNF), Interleukin-1 und Interleukin-6. Diese Zytokine ha- ben zum Teil überlappende Wirkun- gen und können sowohl die eigene Bildung als auch die Bildung anderer Mediatoren induzieren. Gleichzeitig, aber mit einer langsameren Kinetik, wird auch die Synthese antagonisie- render Zytokine, wie Interleukin-1- Rezeptorantagonist, und gegenregu- latorischer Zytokine, wie Interleukin- 10, stimuliert. Die Verflechtungen in- nerhalb dieses Zytokinnetzwerkes und die Regulation der Synthese ein- zelner Zytokine sind derzeit Gegen- stand intensiver Forschung. In den letzten Jahren hat sich eine zentrale Rolle von TNF in diesem Netzwerk herauskristallisiert.
Tumor-Nekrose-Faktor wird als membrangebundenes Pro-Protein aus 233 Aminosäuren synthetisiert und besitzt ein Molekulargewicht von 26 Kilodalton. Dieses Pro-Protein wird durch eine Metalloprotease ge- spalten (17, 20). Das Monomer von TNF hat in der reifen Form ein Mole- kulargewicht von 17 Kilodalton und besteht beim Menschen aus einer Kette von 157 unglykosylierten Ami- nosäuren. TNF liegt physiologisch als nichtkovalent assoziiertes Trimer vor, das eine Kegelform bildet.
Die biologischen Wirkungen von TNF sind vielfältig und werden durch
Der Tumor-Nekrose-Faktor nimmt eine zentrale Rolle im Netzwerk der Zytoki- ne ein. Die überschießende Bildung dieses Zytokins führt bei einer Reihe von Erkrankungen zu pathophysiologi- schen Veränderungen, die zum Beispiel im Falle des septischen Schocks in schwere Organkomplikationen mün- den. Zur Zeit werden in verschiedenen Studien Interventionsmöglichkeiten zur Synthesehemmung und zum Ant- agonismus von Tumor-Nekrose-Faktor untersucht. Diese Strategien könnten zur selektiven Behandlung von infek- tiösen und inflammatorischen Erkran- kungen, wie zum Beispiel der rheuma- toiden Arthritis, beitragen.
die Quervernetzung (cross linking) von zwei Molekülen membranständi- ger Rezeptoren (je nach Ausstattung der Zellen: Typ I, p55-Rezeptor, und Typ II, p75-Rezeptor) vermittelt. Sie umfassen verschiedene Organsysteme und Gewebe im Organismus. Dabei werden unter anderem in der Leber Akute-Phase-Proteine gebildet und mesenchymale Zellen, wie Synovial- zellen, Osteoklasten und Fibroblasten aktiviert. Im ZNS werden Schlaf und Fieber induziert. Nicht zuletzt werden auch Immunzellen aktiviert und zur Bildung von anderen Zytokinen und Antikörpern angeregt. Ein pathophy- siologisch wichtiges Zielgewebe ist das Endothel, wo TNF die Expression von Adhäsionsmolekülen, die Synthe- se von Stickstoffmonoxid (NO/EDRF, Endothelium-derived Relaxation Fac- tor) und eine erhöhte vaskuläre Per- meabilität induziert (Abbildung 1).
Medizinische Klinik (Direktor: Prof. Dr. med.
Peter C. Scriba(, Klinikum Innenstadt der Lud- wig-Maximilians-Universität München
Der therapeutische Einsatz von Tumor-Nekrose-Faktor wurde zunächst bei verschiedenen Maligno- men untersucht. Viele Studien waren jedoch durch hohe Raten uner- wünschter Wirkungen limitiert. Neue Applikationsformen wie die topische Gabe oder der Gentransfer von TNF können möglicherweise erfolgreiche- re Behandlungswege eröffnen. In den letzten Jahren wurden große Erwar- tungen auf Therapien gesetzt, welche die Bildung oder Wirkung von TNF verhindern. Studien zum therapeuti- schen Einsatz von anti-TNF-Antikör- pern bei Sepsis erfüllten jedoch bisher nicht die Hoffnungen, die durch erfolgreiche tierexperimentelle An- sätze geweckt worden waren. Ledig- lich in der nachträglich gebildeten Untergruppe (mit septischem Schock) einer großen Studie bei Pati- enten mit Sepsis-Syndrom, konnte ei- ne Senkung der Mortalität um 17 Pro- zent (1a) erzielt werden. Studien, die speziell diese Untergruppe prospek- tiv untersuchen, sind derzeit in Pla- nung oder bereits begonnen.
Im Oktober 1994 wurden ein- drucksvolle Ergebnisse einer doppel- blinden Studie zur Immuntherapie von Patienten mit rheumatoider Ar- thritis in Form von chimerischen (das heißt aus humanen und murinen An- teilen bestehenden) anti-TNF-Anti- körpern publiziert (7). Diese Ergeb- nisse, die am Schluß dieser Übersicht vorgestellt werden, zeigen erstmalig die Wirksamkeit einer spezifischen Zytokinblockade bei einer entzündli- chen Erkrankung des Menschen.
Tumor-Nekrose-Faktor als Krankheitsmediator
Bei gesunden Probanden konnte mit einer hochsensitiven Methode, welche auf der extrem hohen Bin- dungsspezifität und -affinität des TNF-Rezeptormoleküls (p55) beruht, kein zirkulierendes Protein nachge- Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 33, 18. August 1995 (43) A-2185
Zytokine Zelladhärenz Blutgerinnung NO-Synthase
Endothel
Antikörper
Interleukin-2 Interferon-y andere Zytokine B-Zellen
Stimulus Monozyt T-Zellen
Monozyt Gehirn
—I> Fieber
Osteoklast 1‘"
Knochen- resorption
Myozyt
Proteolyse
Ad i pozyt Fibroblast
Hemmung der Interferon-f3 Lipoproteinlipase Kollagenase
Leber
Akute-Phase- Proteine Interleukin-1
Tumor-Nekrose-Faktor Interleukin-6
Abbildung 1: Überblick bekannter Eigenschaften von Tumor-Nekrose-Faktor (TNF). Obwohl eine Vielzahl von Zellen in der Lage sind, TNF zu bilden, stellen Monozyten und Makrophagen die wesentliche Quelle dar. Von Monozyten gebildeter TNF wirkt autokrin wiederum auf Monozyten und induziert in Endothelzellen eine große Zahl von Aktivierungsprozessen wie Zytokinproduktion, die Expression von Adhäsionsmolekülen, die Freiset- zung prokoagulatorischer Substanzen und die Synthese von Stickstoffmonoxid (klinisches Bild: septischer Schock). B- und T-Lymphozyten werden stimuliert, im Gehirn wird Fieber induziert, in Adipozyten kommt es zur Hemmung der Lipoproteinlipase (klinisches Bild: Kachexie), und in der Leber wird die Bildung von Akute-Pha- se-Proteinen (bei einer bakteriellen Infektion) induziert. Fibroblasten, Myozyten und Osteoklasten bilden Ziel- zellen für die Wirkung von TNF bei der rheumatoiden Arthritis.
MEDIZIN
wiesen werden (23). Dabei lag die Nachweisgrenze bei 200 attomolar (10-18 mo1/1), dies entspricht etwa 600 000 Trimeren oder 50 Femto- gramm TNF in 5 ml Plasma. Bei aku- ten Erkrankungen wie dem septi- schen Schock zirkuliert TNF dagegen in nanomolarer (10-9 mo1/1) Konzen- tration.
Die Synthese von Tumor-Nekro- se-Faktor wird durch exogene Fakto-
ren, wie zum Beispiel Endotoxine (Li- popolysaccharide, Bestandteil der Zellwand gramnegativer Bakterien;
ß-Glukane, Bestandteil der Pilzwand) oder durch endogene Mediatoren, wie zum Beispiel Interleukin-1, vor- wiegend in Monozyten und Makro- phagen induziert. Erhöhte Spiegel an TNF konnten bei verschiedenen Er- krankungen gezeigt werden. Dazu zählen der septische Schock, Malaria tropica, Meningokokken-Meningitis,
DIE UBERSICHT
rheumatoide Arthritis, Adult Repira- tory Distress Syndrome (ARDS), HIV-Infektion und andere (siehe Ta- belle 1). Teilweise ist die Funktion von TNF als essentieller Mediator belegt.
Neuere Übersichten bezüglich seiner Rolle bei Erkrankungen finden sich bei Vassalli 1992, Dinarello 1993 und Tracey 1994 (3, 28, 30).
Zu den therapiebedingten Syn- dromen, die mit verstärkter TNF-
Synthese einhergehen, wird die Be- handlung der akuten Transplantatab- stoßung mit anti-CD3-Antikörpern (OKT3) und die Gabe von Zytokinen bei malignen Erkrankungen (zum Beispiel Interleukin-2) gezählt. Eine gezielte Suppression der TNF-Bil- dung bei der Abstoßungstherapie mit anti-CD3-Antikörpern kann, wie im folgenden Abschnitt dargestellt, die Krankheitsmanifestationen dieser Syndrome mindern. Im Prinzip wäre
ein therapeutischer Nutzen durch Antagonismus von TNF bei vielen der in Tabelle 1 dargestellten Erkrankun- gen denkbar.
Therapeutika mit Anti-TNF-Wirkung
Eine Vielzahl von Medikamen- ten und physiologisch vorkommen- den Substanzen wurde bisher auf ihre TNF-modulierenden Eigenschaften geprüft. Die meisten Hemmstoffe der Bildung oder Wirkung wurden in frisch isolierten humanen mononu- kleären Zellen untersucht, einzelne in Tierversuchen und ein geringer Teil in ersten Studien bei freiwilligen Pro- banden oder Patienten.
Aufgrund ihrer Wirkung auf TNF können diese Substanzen in drei Gruppen eingeteilt werden (Abbil- dung 2). Erstens, Stoffe, die die Bil- dung von TNF hemmen, wie zum Bei- spiel Phosphodiesterase-Hemmstof- fe, Prostaglandine, Adenosin, Korti- kosteroide oder Interleukin-10. Zwei- tens, Substanzen, die die Prozessie- rung des Pro-Proteins verhindern (spezifische Inhibitoren der TNF-Me- talloprotease). Und drittens, Thera- peutika, die die Wirkung von reifem TNF abschwächen oder verhindern, wie lösliche TNF-Rezeptoren oder anti-TNF-Antikörper. Eine Übersicht der TNF-modulierenden Substanzen, entsprechend ihres Angriffspunktes, ist in Tabelle 2 wiedergegeben.
Jede der aufgeführten Strategien ist limitiert durch ihre Spezifität und/oder durch das therapeutische Fenster, in dem eine gewählte Strate- gie noch greifen kann. Bei einem aku- ten Ereignis, wie zum Beispiel dem septischen Schock, ist dieses zeitliche Fenster relativ eng. Andererseits scheint eine vollständige Hemmung der TNF-Wirkung in einem frühen Krankheitsstadium eher schädlich zu sein.
Beispielhaft für Substanzen mit Wirkung auf die TNF-Bildung soll der Wirkmechanismus und der Einsatz von Phosphodiesterade-Hemmstof- fen beschrieben werden. Im Jahr 1989 konnten Tannenbaum et al. in muri- nen Zellen zeigen, daß cAMP-er- höhende Substanzen die TNF-Syn- these hemmen (27). Zu diesen Sub- A-2186 (44) Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 33, 18. August 1995
stanzen zählen einerseits Phosphodi- esterase-Hemmstoffe, die den Abbau von cAMP hemmen und andererseits Prostaglandine, die zu einer Aktivie- rung der Adenylatzyklase und damit einer verstärkten Bildung von cAMP führen. Erhöhte Konzentrationen von cAMP bewirken eine Aktivie- rung der Proteinkinase A, diese wie- derum kann unterschiedliche Prote- ine phosphorylieren. Möglicherweise
DIE ÜBERSICHT
stoffen ist Pentoxifyllin als Inhibitor der TNF-Bildung am besten unter- sucht. 1991 wurde in einer klinischen Studie die suppressive Wirkung von Pentoxifyllin auf die TNF-Synthese bei Patienten mit anti-CD3-Behand- lung (monoklonale Antikörper gegen CD3, zur Behandlung einer Trans- plantat-Abstoßung) gezeigt (31). Seit- her findet der Einsatz von Pentoxifyl- lin bei anti-CD3-Therapie zur Verhin-
Hemmung der TNF-Synthese
Hemmung der TNF-Prozessierung
Hemmung der TNF-Wirkung
Monozyt Zielzelle
Abbildung 2: Hemmung der Bildung oder der Wirkung von TNF. lipopolysaccharide (LPS, Zellwandbestandteil gramnegativer Bakterien) und andere Stimuli induzieren die TNF-Synthese in Monozyten. Um die Folgen einer überschießenden Synthese zu verhindern, wurden Strategien zur Hemmung der Proteinsynthese, zur Hem- mung der Prozessierung und zum Antagonismus von TNF entwickelt. Weitere therapeutische Strategien greifen proximal (zum Beispiel onti-LPS-Antikörper) oder distal (zum Beispiel Hemmung der Signaltransduktion in der Zielzelle) der hier beschriebenen Regelstrecke an.
beteiligt an der Regulation des Gens für TNF ist die Phosphorylierung von CREB ( cAMP-responsive Element Binding Protein). Dieser Transkripti- onstaktor bindet sequenzspezifisch an die Promotorregion bestimmter Ge- ne. Das TNF-Gen besitzt in seiner Promotorregion eine ähnliche Se- quenz und könnte somit über diesen Mechanismus reguliert werden.
Daneben ist die Regulation der TNF-Synthese durch die Aktivierung des Transkriptionstaktors NF-K.B (Nuclear Factar-kappa B) nachgewie- sen worden. NF-K.B liegt im Zytosol gebunden an ein inhibitorisches Pro- tein I-K.B (Inhibitory-kappa B) vor, und gelangt nach der Aktivierung durch Dissoziation in den Kern. Es zeigte sich, daß NF-K.B zumindest ei- ner von mehreren Transkriptionsfak- toren ist, die notwendig sinp, um TNF-Transkription zu initiieren. NF- KB-bindende Sequenzen sind in der Promotorregion des TNF-Gens be- schrieben worden (2).
Von den bisher klinisch einge- setzten Phosphodiesterase-Hemm-
derung der TNF-vermittelten Neben- wirkungen weiter Verbreitung. Im Tierversuch konnte im gleichen Jahr die spezifische Wirkung von Pento- xifyllin auf die TNF-Bildung durch er- folgreiche Behandlung der anti-CD3- assoziierten Nebenwirkungen mit an- ti-TNF-Antikörpern untermauert werden (14). Auch bei der Behand- lung der Transplantatabstoßung mit ATG (Antithymozytenglobulin), zum Beispiel bei der experimentellen In- selzelltransplantation, wird Pento- xifyllin eingesetzt (13).
Anti-TNF-Antikörper bei rheumatoider Arthritis
Von der britischen Arbeitsgrup- pe um Elliott wurde im Dezember 1993 eine erste erfolgreiche offene Studie zum Einsatz von anti-TNF- Antikörpern bei einer Autoimmuner- krankung veröffentlicht (6). Die Er- gebnisse konnten kürzlich in einer doppelblinden, multizentrischen Stu- die bestätigt werden (7). An dieser
Studie wirkte auch das Institut für kli- nische Immunologie und Rheumato- logie der Universität Erlangen (Prof.
Dr. med. J. R. Kalden) mit.
In vorangegangenen Untersu- chungen der Synovialflüssigkeit von Patienten mit rheumatoider Arthritis waren verschiedene pro- und anti-in- flammatorische Zytokine identifiziert worden. Es wurden erhöhte Konzen- trationen für Interleukin-1, Inter-
Tabelle 1
Erhöhte Plasmakonzentrationen von Tumor-Nekrose-Faktor bei verschiedenen Erkrankungen
Infektionen
~ Sepsis
~ Malaria tropica
~ Bakterielle Meningitis
~AIDS
Autoimmunerkrankungen
~ Rheumatoide Arthritis*)
~ Sarkoidase
~ Graft-versus-Host-Erkrankung
~ Transplantatabstoßung (Niere, Herz)
~ Kawasaki-Syndrom Organversagen
~ ARDS
~ Schwere Herzinsuffizienz (NYHA III-IV)
~ Myokardinfarkt
~ Akutes Leberversagen Malignome
~ Haarzell-Leukämie Therapieformen
~ Interleukin-2-Infusion
~ anti-CD3-Antikörper- Infusion*)
*) Protektiver Effekt bei Gabe von ono- klonalen Antikörpern gegen TNF
leukin-6 und TNF als pro-inflamma- torische und für Transforming- Growth-Factor-ß sowie Interleukin- 10 als anti-inflammatorische Media- toren gemessen. In modellhaften Zellkulturen mit Synovialzellen konnte das Argument, in einem so komplexen Netzwerk sei der Antago- nismus nur eines Mediators nicht the- rapeutisch erfolgversprechend, zu- mindest abgeschwächt werden. So wurde gezeigt, daß neutralisierende Antikörper gegen TNF in diesem Sy- neutsches Ärzteblatt 92, Heft 33, 18. August 1995 (45) A-2187
stem die sekundäre Interleukin-1- Synthese verhindern (1b ).
Bei der randomisierten, doppel- blinden Studie wurden nun 73 Patien- ten mit therapierefraktärer rheuma- toider Arthritis mit einem monoklo- nalen anti-TNF-Antikörper (cA2) in- travenös behandelt. Dabei wurde die einmalige Infusion eines chimeri- schen Antikörpers (human/murin) in niedriger (1 mg/kg Körpergewicht)
DIE ÜBERSICHT
eine Besserung sogar nach den Krite- rien des strengeren Paulus-50-Pro- zent-Index. Vor dem Hintergrund, daß die Studienpatienten zuvor durchschnittlich drei "Basistherapeu- tika" ohne Erfolg erhalten hatten, ist das Ausmaß des Therapieerfolges insgesamt besonders eindrucksvoll.
Bei der Patientengruppe nach Gabe hoher Antikörper-Dosis zeigte die Mehrzahl der untersuchten Variablen
Tabelle 2 -
Substanzen zur Hemmung der Bildung oder Wirkung von Tumor-Nekro- se-Faktor
Hemmung der Synthese ..,.. Zytokine:
Interleukin-10
Transforming Growth tor-ß ..,.. Andere endogene Mediatoren:
Kortikosteroide Prostanoide Adenosin Retinolsäure
n-3 ungesättigte Fettsäuren Histamin
Stickstoffmonoxid ..,.. Andere Pharmaka:
Pentoxifyllin Rolipram Ciclosporin A Thalidomid
Pyrrolidin-Dithiocarbamat Hemmung der Prozessierung ..,.. Inhibitoren der TNF-
Metalloprotease:
Compound2 GI 129471
Hemmung der Wirkung ..,.. Anti-TNF-Antikörper ..,.. Lösliche TNF-Rezeptoren
oder hoher Dosierung (10 mg/kg Körpergewicht) mit Plazebogabe verglichen. Elf von 25 Patienten in der Gruppe mit niedriger Dosis und 19 von 24 Patienten der Hochdosis- gruppe sprachen auf die Behandlung an (eine Verbesserung von minde- stens vier der sechs Kriterien des Paulus-20-Prozent-Index), vergli- chen mit nur zwei von 24 plazebobe- handelten Patienten. Über die Hälfte der Patienten mit hoher Dosis zeigten
(Marchant et al. 1994, [16]) (Espevik et al. 1987, [11])
(Han et al. 1990, [15])
(Eisenhut et al. 1993; Sinha et al. 1995, [5, 26])
(Parmely et al. 1993, [22]) (Mehta et al. 1994, [18]) (Endres et al. 1989, [9]) (Vannier et al. 1991, [29]) (Eigler et al. 1995, [4])
(Zabel et al. 1992;
Endres et al. 1991, [32, 10) (Semmler et al. 1993, [25]) (Rernick et al. 1989, [24]) (Moreira et al.1993, [21])
(Ziegler-Heitbrock et al. 1993, [33])
(Mohler et al.1994, [20]) (McGeehan et al. 1994, [17])
(Exley et al. 1990, [12]) (Mohler et al. 1993, [19])
Verbesserungen von mehr als 60 Pro- zent, am deutlichsten bei der Zahl der schmerzhaften und geschwollenen Gelenke und der Messung des C-re- aktiven Proteins. In einer gleichzeitig publizierten Studie mit wiederbalter Gabe des Antikörpers entwickelten allerdings die Hälfte der behandelten Patienten mit rheumatoider Arthritis körpereigene Antikörper gegen den therapeutischen Antikörper (cA2), und es deutete sich eine höhere Rate
A-2188 ( 46) Deutsches Ärzteblatt 92, Heft 33, 18. August 1995
von Antikörper-assoziierten Neben- wirkungen an (8).
Die Ergebnisse der in dieser Übersicht genannten Studien zeigen beispielhaft die Möglichkeiten zu- künftiger Therapiestrategien auf, die auf der Kenntnis der Stellung einzel- ner Mediatoren im Krankheitsge- schehen und deren spezifischer An- tagonisierung aufbauen.
Die Therapie von Erkrankun- gen, bei denen es akut zu einer über- schießenden Produktion von Zytoki- nen kommt, wie etwa bei dem septi- schen Schock, stellt auch weiterhin ein ungelöstes Problem dar.
Im Gegensatz dazu erscheint es denkbar, durch eine chronische Bil- dung von Zytokinen unterhaltene Krankheiten spezifisch und mit gerin- gen Nebenwirkungen zu therapieren . Wahrscheinlich eröffnen sich in Zu- kunft für weitere Erkrankungen, die bisher mit unspezifischen Immunsup- pressiva und den damit verbundenen Nebenwirkungen behandelt wurden, ähnliche Therapiemöglichkeiten.
Die AutOren widmen diese Übersicht Herrn Professor Dr. med . Jochen Eigler (Stellvertretender Kli- nikdirektor der Medizinischen Klinik, Klinikum Innenstadt der Ludwig-Ma- xirnilians-Universität München) zum 65. Geburtstag.
Die Arbeitsgruppe wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (En 169/2-3), die Wil- helm-Sander-Stiftung (93.042.1) und die Ernst- und Berta-Grimmke-Stiftung unterstützt. Wir bedanken uns bei Dr. med. Tim Greten, Dr.
med. Gunther Hartmann, Dr. rer. nat. Jochen Moeller, Dipl.-Biol. Kerstin Waller und Chri- stiane Haslberger für die Mitarbeit.
Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl1995; 92: A-2185-2188 [Heft 33]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis im Sonderdruck, anzufordern über die Verfasser.
Anschrift der Verfasser:
PD Dr. med. Stefan Endres Dr. med. Bhanu Sinha Dr. med. Andreas Eigler Medizinische Klinik Klinikum Innenstadt der
Ludwig-Maximilians-Universität Ziemssenstraße 1
80336 München
