Interessenkonflikt Keiner.
Die Nutzung natürlicher Killerzellen für die Therapie des Melanoms
Exploiting natural killer cells for therapy of melanoma
Zusammenfassung
In den letzten Jahren hat die Immuntherapie wesentlichen Einfluss auf die klinische Thera- pie des malignen Melanoms gewonnen. Neben vielversprechenden T-Lymphozyten-ba- sierten Ansätzen erhalten natürliche Killerzellen (NK-Zellen) zunehmende Aufmerksam- keit als Antitumor-Effektor-Zellen. HLA-Klasse-I-Moleküle inhibieren die Aktivierung von NK-Zellen, so dass diese präferentiell Tumorzellen angreifen, die HLA-Klasse-I-Moleküle in nur geringem Maß exprimieren. Der teilweise oder vollständige Verlust der HLA-Klas- se-I-Expression ist ein häufiges Ereignis bei der Melanomentstehung. Gleichzeitig wer- den bei der malignen Transformation NK-Zell-Rezeptor-aktivierende Liganden induziert.
Daher werden Melanomzellen durch NK-Zellen zumindest in vitro erkannt und lysiert.
In vivo haben Melanome jedoch umfassende Strategien entwickelt, um dem durch NK-Zellen vermittelten Angriff zu entgehen. Eine Vielzahl neuartiger Ansätze zielt darauf ab, NK-Zellen zu nutzen, um Melanompatienten wirksam zu therapieren und den beste- henden “Escape-Mechanismen” der Tumorzellen entgegenzuwirken. Dieser Übersichts- artikel fasst die aktuellen Fortschritte auf diesem Gebiet zusammen.
Summary
During the recent years, immunotherapy has obtained substantial impact on the clini- cal treatment of melanoma. Besides promising approaches based on T lymphocytes, natural killer (NK) cells have gained more and more attention as anti-melanoma effec- tor cells. NK cell activation is inhibited by HLA class I molecules expressed by target cells , so they preferentially attack tumor cells that express low levels of HLA class I.
Partial or complete loss of HLA class I expression is a frequent event during the de- velopment of melanoma. In parallel, ligands for activating NK cell receptors become induced upon malignant transformation. Thus, melanoma cells are often efficiently recognized and lysed by NK cells at least in vitro. In vivo, however, melanomas have developed multiple sophisticated strategies to escape from NK cell mediated attack.
Several novel approaches aim at harnessing NK cells to treat melanoma patients and to counteract existing tumor escape mechanisms. This review summarizes the most recent advances in the field.
Oliver Hölsken* , Matthias Miller* , Adelheid Cerwenka
Innate Immunity Group (D080) , Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) , Heidelberg
*Beide Autoren haben in gleichem Maße zu diesem Artikel beigetragen.
Immunbiologie der NK-Zellen beim Melanom
Das Melanom ist mit einer erwarteten Inzidenz von 20 000 Neuerkrankungen im Jahr 2014 in Deutschland eines der häu- fi gsten Malignome [ 1 ] Es wird charakterisiert durch ein ext- rem hohes Metastasierungspotential und einer 5-Jahres-Über- lebensrate von unter 5% nach Metastasierung [ 2 ] . Aufgrund der hohen Immunogenität des Tumors werden jedoch auch Spontanremissionen beobachtet, worin die Begründung für die experimentelle Behandlung von Melanompatienten mit immunstimulatorischen Therapien wie Interleukin-2 (IL-2) und Typ-I-Interferonen (IFN) [ 3 ] . Da unter einer Behand- lung mit IL-2 starke Nebenwirkungen auftreten können, werden gezieltere Therapieansätze untersucht. Der adoptive Zelltransfer (adoptive cell transfer, ACT) von ex vivo expan- dierten, IL-2-aktivierten tumorinfi ltrierenden T-Zellen führte zu einem objektiven Ansprechen bei 50% der so behandelten Melanompatienten [ 3 ] . Dennoch kommt es bei ca. 60–80 % der Melanome in situ zu einer reduzierten oder nicht mehr nachweisbaren Expression von HLA-Klasse-I (humanes Leu- kozytenantigen der Klasse I) Molekülen, was die Erkennung der Tumorzellen durch CD8 + T-Zellen verhindert [ 4 ] . Inter- essanterweise sind NK-Zellen, eine Lymphozyten-Subpopula- tion, unabhängig von Peptiden, die im Zusammenhang mit
HLA-Klasse-I präsentiert werden. Ihre Aktivierung erfolgt durch aktivierende und inhibierende Signale, die in einem empfi ndlichen Gleichgewicht stehen und über mehrere in den Keimbahnzellen kodierte Rezeptoren vermittelt werden [ 5 ] (Abbildung 1 ). Die wichtigsten aktivierenden NK-Zell-Re- zeptoren sind NKG2D, welcher MICA, MICB und ULBP1–6 auf Tumorzellen bindet, DNAM-1, welcher mit CD112 und CD155 interagiert, und die Familie der natürlichen Zytoto- xizitätsrezeptoren (natural cytotoxicity receptors, NCRs) wie NKp30, NKp44 und NKp46, deren auf Tumoren exprimierte Liganden noch wenig untersucht sind. Interessanterweise feh- len diese Liganden auf den meisten gesunden Zellen und wer- den durch zellulären Stress wie maligne Transformation oder eine Virusinfektion induziert. NK-Zellen exprimieren zudem eine polygene Familie zumeist hemmender Rezeptoren aus der Klasse der Killer Cell Immunoglobulin-like Receptors (KIRs), die NK-Zellen bei Bindung an körpereigene HLA-Klas- se-I-Moleküle inhibieren. Interessanterweise zeigen Mela- nomzellen oft eine geringere Expression von HLA-Klasse-I [ 4 ] und exprimieren oft stressinduzierte aktivierende Liganden wie NKG2D-Liganden, DNAM-1- Liganden oder NCR-Li- ganden [ 6 ] . Daher erkennen NK-Zellen in vitro oftmals ef- fektiv Melanomzellen und induzieren die Tumorzelllyse über die Freisetzung von Perforin und Granzym und die Sekretion pro-infl ammatorischer Zytokine wie TNF- α oder IFN- γ [ 5 ] .
Abbildung 1 Die Aktivität natürlicher Killerzellen (NK-Zellen) wird durch hemmende und stimulierende Signale reguliert. Nach dem Kontakt mit einer Tumorzelle integriert die NK-Zelle die Signale verschiedener aktivierender und hemmender Rezeptoren; der resultierende überwiegende Einfluss triggert dann die Effektorfunktion.
Die Expression von HLA-Klasse-I, nicht jedoch von NK-Zell-aktivierenden Liganden, sichert die Immuntoleranz gegenüber dem “gesunden Selbst”.
Tumorzellen mit herabgesetzter HLA-Klasse-I-Expression und der simul- tanen Heraufregulation aktivierender, wie NKp30- oder NKG2D-Liganden werden von NK-Zellen attackiert.
Mechanismen der Immunevasion der NK-Zell-Erkennung beim Melanom
Tumore haben vielfältige Strategien entwickelt, um der zell- vermittelten Immunantwort zu entgehen. Dies führt zu einer Selektion sogenannter “Escape”-Varianten, welche den Phäno- typ und die Funktionalität der tumorinfi ltrierenden Effektor- zellen beeinfl ussen. So können den Melanomzellen entstam- mende Faktoren wie Prostaglandin E2 (PGE2) und Produkte der enzymatischen Reaktion der Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) die Funktionalität der NK-Zellen beeinträchtigen, in- dem sie das Expressionsniveau aktivierender Rezeptoren wie NKp30 oder NKG2D senken [ 7 ] . Ein weiterer bekannter Eva- sionsmechanismus ist die Abspaltung aktivierender Liganden, wie des NKp30-Liganden B7-H6 [ 8 ] oder des NKG2D-Ligan- den ULBP2 durch Tumorzellen, die die wirksame Erkennung der Melanomzellen durch die NK-Zellen verhindert. Erhöhte Serumlevel löslichen ULBP2 waren stark mit einer Progressi- on der Erkrankung und geringerem Überleben der Melanom- patienten assoziiert [ 9 ] . Hypoxische Bedingungen, wie sie oft in Tumorgeweben herrschen, verringern die Funktionalität von T-Zellen, indem sie zur autophagischen Degradation von Granzym B führen, einem wichtigen zytotoxischen Effektor- molekül [ 10 ] . Auch Sauerstoffradikale wie Wasserstoffperoxid aus tumorassoziierten Makrophagen [ 11 ] oder Transforming Growth Factor β 1 (TGF- β 1), das von myeloischen Suppressor- zellen produziert wird, senken die T-Zell-Aktivität [ 12, 13 ] . Somit tragen verschiedene Faktoren zur Immunevasion des Melanoms im Kontext der NK-Zell-vermittelten Tumorkon- trolle bei und führen zu einem dysfunktionalen Zustand der NK-Zellen [ 14 ] .
Trotz der vielfältigen Mechanismen, mit deren Hilfe Me- lanomzellen ein immunsuppressives Mikromilieu generieren, gibt es Daten, die darauf hinweisen, dass NK-Zellen aktiv zur Tumorüberwachung in vivo beitragen. Obwohl NK-Zel- len nur schwer in Melanome infi ltrieren können und zumeist in der Umgebung des Tumors verbleiben [ 15 ] , ist die Zahl tumorresidenter NK-Zellen in regredienten im Vergleich zu nicht-regredienten Melanomen erhöht [ 16 ] . Des Weiteren korreliert die Stärke der NKp46-Expression mit längerem Überleben bei Melanompatienten im Stadium IV [ 15 ] . Diese Studien stützen die Anwendung von NK-Zellen in der Klinik.
Aktuelle klinische Studien mit NK-Zellen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
NK-Zellen als therapeutische Strategie beim Melanom
Die standardisierte Therapie des metastasierten Melanoms (Stadium IV) hängt vom Mutationsstatus und von der
werden mit spezifi schen Inhibitoren wie Vemurafenib behan- delt, während BRAF-Wildtyp-Tumore entweder chemothe- rapeutisch (z.B. mit Dacarbazin) oder immuntherapeutisch mit einem humanen mononkonalen blockierenden Antikör- per gegen CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte associated an- tigen-4), welches ein inhibitorisches Signal an T-Zellen ver- mittelt [ 1, 17 ] . CTLA-4 vermittelt T-Zellen ein hemmendes Signal. Die Ansprechrate auf Dacarbazin hingegen liegt bei nur 10%. Trotz neuer Strategien, wie der Kombinationsthe- rapie von Ipilimumab und Nivolumab, einem monoklonalen anti-PD-1-Antikörper, die vielversprechende klinische Ergeb- nisse zeigen [ 18 ] , gibt es noch immer einen großen Bedarf an potenteren Therapieschemata mit einem vorteilhafteren Ne- benwirkungsprofi l. Die besten Ergebnisse mit NK-Zell-ba- sierten Therapiestrategien wurden bislang im Rahmen einer adoptiven Zelltherapie (adoptive cell therapy, ACT) bei Leu- kämiepatienten erzielt. In einer ersten Studie zeigten Ruggeri et al. die antitumoröse Wirkung allogener NK-Zellen bei AML-Patienten, die eine Stammzelltransplantation erhielten [ 19 ] . Dabei führte ein KIR-Liganden-Mismatch zwischen dem haploidentischen Spenderknochenmark und den Leu- kämiezellen des Empfängers zu einer ausgeprägten, durch NK-Zellen vermittelten Graft-versus-Leukämie-Reaktion.
Rezidive wurden verhindert und die 5-Jahres-Überlebensrate erhöht [ 20 ] . Miller et al. berichteten über die Sicherheit einer allogenen NK-Zell-ACT bei Melanompatienten und anderen Patienten mit soliden Tumoren, wobei sich bei vielen Proban- den ein objektives Ansprechen zeigte [ 21 ] (Tabelle 1 ). Um die Notwendigkeit eines haploidentischen Spenders zu umgehen, verwendeten Parkhurst et al. in einer aktuellen Studie expan- dierte autologe NK-Zellen [ 22 ] . Patienten mit metastasier- tem Melanom erhielten dabei nach einer lymphodepletiven, nicht-myeloablativen Chemotherapie in vitro IL-2-expan- dierte autologe NK-Zellen, die zwar im Körper der Patienten überlebten, jedoch nicht zu einem erkennbaren antitumorö- sen Effekt führten. Die transferierten Zellen zeigten reduzier- te Expressionsniveaus des aktivierenden Rezeptors NKG2D und waren nicht in der Lage, verschiedene Tumorzelllinien zu lysieren. Auch blieb es unklar, ob die übertragenen NK-Zel- len in solide Tumoren infi ltrieren können. Im Moment läuft eine weitere klinische Studie, in der der NK-Zell-Transfer mit dem Proteasominhibitoren Bortezomib, der NKG2D-Ligan- den auf Tumorzellen heraufreguliert, kombiniert wird (Ta- belle 1).
Mit dem Ziel einer Standardisierung der Therapiesche- mata wurde die NK-Zelllinie NK-92, die leicht in vitro unter GMP-Bedingungen expandiert werden kann [ 23 ] , in einer Pha- se-I-Dosisfi ndungsstudie bei Patienten mit Nierenzellkarzinom und Melanom untersucht. Ein Patient mit metastasiertem Mela- nom zeigte ein geringfügiges Ansprechen auf die Therapie wäh- rend der Laufzeit der Studie. Da die beobachteten Toxizitäten
Tabelle 1 Klinische Studien der NK-Zell-basierten Therapie des malignen Melanoms seit 1985. Herkunft der NK-ZellenPhase ProbandenBehandlungKombination Wirkung Status Land[Ref.] [CT-Nr.] Lymphokin- aktivierte Killerzellen *
I 7 metastasiertes Melanom; 9 kolorektales Karzinom; 4 Sarkom; 3 Nierenzell- karzinom; 1 pulmona- les Adenokarzinom; 1 Ösophaguskarzinom 1,8–18,4 x 10 10 i.v. IL-2 i.v.Objektive Regression bei 44 % der Patienten; komplette Regres- sion bei einem Patienten
Abgeschlossen US [ 33 ] Autologe NK- Zellen II 7 metastasiertes Mela- nom; 1 metastasiertes Nierenzellkarzinom
4,7 x 10 10 (± 2.1 x 10 10) i.v.
IL-2 i.v. nach Chemotherapie Kein klinisches Ansprechen, Persistenz der über- tragenen NK-Zellen
Abgeschlossen USA [ 22 ] NCT00328861 I Hämatologische Malignome und solide Tumoren (inkl. Melanom)
i.v. zusammen mit Chemotherapie mit Bortezomib
Rekrutierung USA NCT00720785 Allogene NK- Zellen I 10 metastasiertes Melanom, 13 metastasier- tes Nierenzellkarzinom, 19 AML mit schlechter Prognose
i.v. 1 x 10 5 1 x 106 1 x 107 2 x 107 Zellen/kg Nach Hoch- oder Niedrigdosische- motherapie s.c. IL-2 Niedrige Zytotoxi- zität, erfolgreiche Zelltransplantation
Abgeschlossen USA [ 21 ] I/II Therapierefraktäres oder rezidivierendes Melanom Abgeschlossen Südkorea NCT00846833 NK-92 I 11 Nierenzellkarzinom; 1 metastasiertes Melanom 1 x 108 /m2 or 3 x 108 /m2 1 x 109 /m2 or 3 x 109 /m2 i.v. in drei Dosen allein Keine schwere Zytotoxizität oder Gewebsnebenwir- kung
Abgeschlossen USA [ 24 ] *Lymphokin-aktivierte Killerzellen (LAKs) sind eine heterogene Population aus v.a. NK-, NKT- und T-Zellen, die in vitro aus peripheren mononukleären Zellen in Kul- tur mit IL-2 generiert werden. Abk.: i.v., intravenös; s.c., subkutan
während der Infusion nur leicht waren, ist die NK-92-Zelllinie die erste Effektorzelllinie, die von der FDA für die Therapie des malignen Melanoms zugelassen wurde [ 24 ] .
Neue Bereiche in der NK-Zell-Therapie des Melanoms
Melanome zeigen oft eine reduzierte oder nicht mehr vor- handene Expression von HLA-Klasse-I, wobei jedoch die verbleibende HLA-Expression ausreichend sein kann, um die Reaktivität natürlicher Killerzellen durch KIR-Bindung zu supprimieren. Eine Blockade dieser KIRs stellt eine weitere mögliche Therapiestrategie dar (Abbildung 2 ). IPH2101 ist der erste humane monoklonale anti-KIR-Antikörper, der die NK-Zell-vermittelte Zerstörung der Tumorzellen verbessert.
Die Verabreichung führte in einer aktuellen Untersuchung zur Blockade der KIRs ohne signifi kante Nebenwirkungen [ 25 ] . Weitere klinische Studien sollen das therapeutische Po- tenzial dieses Antikörpers evaluieren.
Kürzlich ist zudem die in vitro-Aktivierung von NK-Zel- len mit anderen Zytokinen als dem üblicherweise verwen- deten IL-2 untersucht worden. So zeigten Ni et al. das an- titumoröse Potenzial von IL-12,-15 und -18-aktivierten NK-Zellen in murinen Lymphom- und Melanommodellen [ 26 ] . Die derart vorbehandelten NK-Zellen waren in der
Lage, bei einer erneuten Zytokin- oder Tumorzellstimulation große Mengen von IFN- γ zu produzieren; ähnliche Ergeb- nisse wurden in vitro bereits mit humanen NK-Zellen erzielt [ 26, 27 ] . Dabei aktiviert IFN- γ nicht nur immunkompetente Zellen, sondern kann einen permanenten Proliferationsstopp in Melanomzellen hervorrufen [ 28 ] . IL-21, ein Zytokin mit einem günstigeren Nebenwirkungsprofi l als IL-2, welches die CD8 + T- und NK-Zell-Aktivierung vermittelt, ist sicher und zeigte vielversprechende Ansprechraten [ 29 ] . Eine an- dere Strategie, um Melanomzellen empfi ndlicher gegenüber NK-Zell-vermittelter Zelllyse zu machen, ist beispielsweise die Inhibition von Enzymen wie Metalloproteinasen oder Di- sulfi disomerasen, die NKG2D- oder NKp30-Liganden von der Tumorzelloberfl äche abspalten können [ 8, 30 ] . Zudem zeigte sich in zwei kürzlich veröffentlichten Arbeiten weite- res Potenzial für eine NK-Zell-basierte Zelltherapie durch Inhibition von Negativregulatoren der NK-Zell-Funktion, wie z.B. TAM-Rezeptor-Proteinkinasen [ 31 ] oder CD96, ein inhibitorischer Rezeptor, der der DNAM-1-vermittelten NK-Zell-Aktivierung entgegenwirkt (Abbildung 2 ) [ 32 ] .
Schlussfolgerung
Das zunehmende Verständnis der Biologie der NK-Zellen, der Melanomzellen, des Mikromilieus des Tumors und deren Inter- aktionen generiert neue Möglichkeiten der NK-Zell-basierten
Abbildung 2 Neue Strategien der NK-Zell-basierten Immuntherapie.
(1) In vitro Vorbehandlung mit dem Zytokincocktail IL-12/15/18 oder in vivo – Behandlung mit IL-21. (2) Hemmung der Abspaltung von NKp30- oder NKG2D-Liganden durch Inhibition von Tumorproteasen. (3) Aktivierung von NK-Zellen und Steigerung ihrer gegen Melanomzellen gerichteten Effektor- funktionen durch TAM-Rezeptor- oder CD96-Inhibition. (4) Verabreichung von anti-KIR-Antikörpern.
Tumortherapie. Insbesondere zytokinaktivierte NK-Effek- torzellen mit anhaltender Reaktivität und Antikörper, die der NK-Zell-Hemmung durch Tumorzellen entgegenwirken, scheinen vielversprechend, um aktuelle Therapieansätze wei- ter zu verbessern. Laufende klinische Studien werden zeigen, inwieweit diese neuen Strategien geeignet sind, das Tumor- wachstum bei Melanompatienten zu hemmen.
Korrespondenzadresse
Priv.Doz. Dr. rer. nat. Adelheid Cerwenka Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) Innate Immunity Group (D080),
Im Neuenheimer Feld 280 69120 Heidelberg, Germany
E-Mail: a.cerwenka@dkfz.de
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