Vorlesung "Spezielle Probleme der Immunologie" Organspezifische Autoimmunität II (WS 2008/09)

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1 Vorlesung "Spezielle Probleme der Immunologie" Organspezifische Autoimmunität II (WS 2008/09) Antonio Iglesias F. Hoffmann-La Roche Ltd, Basel I. Organspezifische Autoimmunität: Multiple Sklerose II. Entstehung von Autoimmunität III. Antikörper-Therapie von Autoimmun-Krankheiten

2 I. Organspezifische Autoimmunität : Multiple sclerose MS is eine inflammatorische Erkrankung des Zentralen Nervensystems MS führt zu Demyelinierung und axonale Zerstörung MS verursacht daher neuromotorische und neurosensorische Defizite MS ist in Verlauf und Pathologie heterogen MS ist eine Autoimmunerkrankung mit weitgehend ungeklärtem Ursprung

3 Bei MS wird Myelinzerstörung von ZNS-invasiven Immunzellen, hauptsächlich T Zellen und Macrophagen, verursacht Axons Oligodendrocyten Oligodendrocyte Myelin Oligo Oligo Macrophages

4 Tiermodelle: Experimentelle Autoimmune Enzephalitis (EAE) Verschiedene Modelle von Multipler Sklerose in mehreren Tierarten: Maus, Ratte, Kaninchen, Affen Aktive EAE Akute, chronische und relapsierende neurologische Dysfunktion Inflammatorische Infiltrate mit +/- Demyelinierung Induziert durch Immunisierung mit Myelin-Antigenen (aktive EAE) Passive EAE und durch Inokulation von T-Zellen (passive EAE)

5 Autoreaktive T Zellen werden im ZNS reaktiviert. Kawakami et al Intrathecale OVA Zugabe Enzephalitische T Zellen werden in situ reaktiviert und persistieren lebenslang in gesunden Individuen als Gedächtnis-T Zellen Kawakami et al Catron et al. 2004

6 ZNS-Antigene induzieren heterogene Formen von EAE score PLP-EAE Relapsierend/remitierend score MOG-EAE (100µg) Primär-progressiv days days

7 Zugabe von MOG-spezifischen Antikörpern führt zur Verschlimmerung einer subklinischen Form von EAE C5 iv PBS PLPs-EAE Mit anti-mog Ak score days Ohne anti-mog Ak Autoantikörper gegen manche ZNS Antigene wie MOG können heftige pathologische Krankheitszustände auslösen. Kawakami et al Catron et al. 2004

8 Transgene IgH MOG und TCR MOG führen zu spontaner EAE! OSE - SPF Krishnamoorty et al Synergie von autoreaktiven T und B Zellen ist nötig für die klinische Entfaltung der Krankheit

9 Ein mögliches Szenario von Multipler Sklerose

10 Zusammenfassung Multiple Sclerose 1. Die Pathologie von MS zeigt individuell verteilte Muster der aktiven Myelin-Zerstörung, mit inflammatorischer Beteiligung von Makrophagen und Lymphozyten. 2. Tiermodelle legen den autoimmunen Charakter von MS nahe und spiegeln einzelne pathologische Aspekte der Erkrankung wieder. 3. Autoantikörper gegen bestimmte Myelin- und andere ZNS-Antigene können eine wichtigen pathologische Rolle spielen. 4. Durch Synergie von T und B Lymphozyten erzeugte spontane Tiermodelle von MS (z. B. OSE) können bessere Systeme für die Erprobung von Medikamenten darstellen.

11 II. Entstehung von Autoimmunität Autoimmunität entsteht durch Aktivierung von autoreaktiven Klonen, 1. mit Spezifität für unzugängliche Selbstantigene 2. mit Kreuzreaktivität für Pathogene und Selbstantigene 3. mit niedriger Affinität für Selbstantigene 4. durch genetisch defekte Toleranzinduktion VERLUST VON IMMUNOLOGISCHER TOLERANZ!!

12 1. Unzugängliche Selbstantigene: MOG MOG is poorly represented in thymus T cell response C WT MOG-K.O. Nat. MOG Rec. MOG Actin B cell response MOG ist nicht in Immunorganen repräsentiert und kann daher nicht Immuntoleranz induzieren! Delarasse et al. 2003

13 1. Unzugängliche Selbstantigene: die gehirnspezifische Isoform von PLP induziert Periphäre Aktivierung von T-Zellklonen für gehirnspezifische PLP-Epitope führt zur EAE!!

14 2. Kreuzreaktivität von MBP-spezifischen T-Zellklonen mit pathogenen Mikroben Wucherpfennig 1995 Sospedra & Martin 2005 Mimikry mit mikrobiellen Antigenen könnte zur Aktivierung von Myelinspezifischen T- Zellklonen führen

15 3. Autoreaktive T-Zellklone mit niedriger Ag-Affinität überwinden die negative Selektion im Thymus Shiverer: MBP C3H: MBP + Myelin-spezifische Klone von niedriger Affinität zum Selbstantigen werden im Thymus nicht eliminiert

16 4. Autoimmunität als Folge von Gendefekten in Mechanismen der Immuntoleranz oder der Immunsuppression Beispiele: A. APECED (Autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis ectodermal dystrophy): - Verursacht durch Mutation des Autoimmun-Regulator (Aire)-Gens - Aire ist transkriptionelles Regulationsprotein - Aire Defizienz führt zur Akkumulation von autoreaktiven, organ- spezifischen T-Zellen und Antikörpern B. IPEX (X-linked Diabetes Mellitus, enteropathy and Endocrinopathy syndrome): - IPEX ist von Mutationen im Transkriptionsregulator FOXP3 verursacht. - Mutationen im gleichen Gen der Maus (Foxp3) verursachen das Phänotyp der scurfy (sf) Mutante. - Foxp3 wird vorwiegend in Immunorganen exprimiert

17 Aire reguliert Immuntoleranz in Menschen und in Mäusen Thymus Lymph node Aire deficient mice

18 Foxp3 reguliert die Differenzierung von CD4 + CD25 + regulatorische T Zellen (T Reg ) im Thymus Foxp3 TGFβ Foxp3 und in der Peripherie!!

19 T Reg Defekte führen zu EAE in MBP-spezifische TCR transgenen Mäusen T Reg in EAE TCR MBP transgene Mäuse Passive MOG-EAE Active MOG-EAE Kohm et al Im normalen Immunsystem werden autoreaktive T Zellen von Regulatorischen T Zellen (T Reg ) immunsupprimiert.

20 Zusammenfassung der Entstehung von Autoimmunität 1. Autoimmunität entsteht durch Aktivierung von autoreaktiven Klonen im Immunsystem. 2. Autoreaktive Klone können die negative Selektion überwinden, z.b. durch niedrige Affinität/Avidität für Selbstantigen (MBP) oder bei Unzugänglichkeit des Selbstantigens für das Immunsystem (MOG, PLP-DM20). 3. Klone mit Kreuzspezifität für Fremd- und Selbstantigene können durch pathogene Keime (das fremde Antigen) aktiviert werden. 4. Autoreaktive Klone können auch durch genetische Defekte bei der Toleranzinduktion (Aire: APECED) oder der Immunregulation (FoxP3: IPEX) enthemmt werden.

21 III. Antikörper-Therapie von Autoimmunen Krankheiten Cell adhesion & migration Other immune components B Lymphcytes T Lymphocytes Cytokines & chemokines Therapeutische Antikörper können verschiedene Komponente der autoimmunen Reaktion ausschalten

22 Therapeutische Antikörper zerstören B cell lymphomas B/Lymphoma NK CD20 NK NK NK Rituximab/Mabthera war der erste (1997) für die Behandlung von Krebs zugelassene Antikörper

23 Therapeutische Antikörper können Autoimmunerkrankungen heilen Therapeutische Antikörper wirken oft bei mehreren Krankheiten

24 Elimination von B Zellen in Multipler Sclerosis Auch in RR-MS kann die B Zell-Elimination mit Rituximab zur klinischen Verbesserung der Krankheit führen Catron et al. 2004

25 Anti-IL6 Rezeptor Antikörper (Actemra) wirken in rheumatoide Arthritis Der Zytokin-wirksame Antikörper Actemra ist jüngst für die Behandlung von Arthritis zugelassen

26 Ein Fall zur Vorsicht: TGN1412 (TeGenero) Ein superagonistischer Antikörper rekrutiert T Reg s gegen Autoimmunkrankheiten

27 Wichtige Struktureigenschaften von therapeutischen Antikörpern Die Effektorfunktionen von therapeutischen Antikörpern können optimiert werden

28 Therapeutische Antikörper kann man massschneidern Kritische Eigenschaften von Antikörpern nach Mass: Immunogenität minimieren Verbesserte Spezifität Erhöhte Bindungsaffinität Verbesserte Effektorfuntionen Optimierte Pharmakokinetik Erhöhte Gewebepenetration Bessere proteolytische Stabilität Bessere Faltung und Löslichkeit human(isierte) Antikörper Selektion aus Phagen-Bibliotheken Selektion aus Phagen-Bibliotheken Glycoengineering Erhöhte Affinität für FcRn Kamelide oder ScFv-Antikörper Kritischen Epitope ausschalten Selektion aus Phagen-Bibliotheken

29 Therapeutische Antikörper kann man massschneidern Kritische Eigenschaften von Antikörpern nach Mass: Immunogenität minimieren Verbesserte Spezifität Erhöhte Bindungsaffinität Verbesserte Effektorfuntionen Optimierte Pharmakokinetik Erhöhte Gewebepenetration Bessere proteolytische Stabilität Bessere Faltung und Löslichkeit human(isierte) Antikörper Selektion aus Phagen-Bibliotheken Selektion aus Phagen-Bibliotheken Glycoengineering Erhöhte Affinität für FcRn Kamelide oder ScFv-Antikörper Kritischen Epitope ausschalten Selektion aus Phagen-Bibliotheken

30 Sogenannte humanisierte therapeutische Antikörper werden bevorzugt eingesetzt 1) 2) 3) Human(isierte) Antikörper sind viel weniger immunogen in Patienten und daher auch effizienter in der Therapie

31 Glycoengineering erhöht die Effektorfuntion von Antikörpern FcγRIII 158F/V Fucose-freie Antikörper haben eine höhere Affinität für FcγR Iida et al und vermitteln eine erhöhte Cytotoxizität

32 Fucose im Zuckerrest von IgG1 verursacht sterische Hinderung bei der Bindung zum FcγRIII Antikörper mit Fucose Fucose-freier Antikörper N297 N162 FcγRIIIa FcγRIIIa Okazaki et al Ferrara et al. (Glycart), 2006

33 Therapeutische Antikörper können Leben retten Fighting For Herceptin Helen Thomas A group of women in Staffordshire are fighting for breast cancer drug herceptin to be given on the NHS. Without it, the future for many of them is bleak. But the campaign is proving hard, distressing and long. Helen Thomas explains Herceptin Cuts Death Rate for Breast- Cancer Patients New study shows significant benefit of taking Herceptin in breast cancer patients who also undergo surgery and chemotherapy. Therapeutische Antikörper sind effizient aber haben hohe Entwicklungskosten, die die öffentlichen Gesundheitssysteme stark beanspruchen

34 Der steinige und kostspielige Weg zu neuen Medikamenten Lead identification Preclinical Dev. Clinical Phase I Clinical Phase II Clinical Phase III Registration Approval Development time: years Average total costs: US $1 billion 20% for 5 % Ther. Abs Die meisten neuen Medikamente fallen spät im Prozess durch, wenn mehr als 400 Millionen US $ bereits investiert wurden.

35 Antikörper als Medikamente sind sehr teuer Faktoren für die hohen Kosten von therapeutischen Antikörpern: allgemeine Entwicklungskosten costs und hohe attrition -Rate teure Manufaktur (kostspielige Zellkultur-Techniken) stabile Formulierung von grossen Proteinen schwierig hohe patentrechtliche Hürden in der Antikörper-Technologie hohe und lange Dosierungen erforderlich Therapeutische Antikörper machen > 20% aller neuen Substanzenwicklungen aus

36 Zusammenfassung Antikörper-Therapie von Autoimmunität 1. Therapeutische Antikörper können effizient und verschiedenartig zur Behandlung von Autoimmun-Erkrankungen eingesetzt werden. 2. Potentielle starke Nebenwirkungen von therapeutischen Antikörpern müssen bei neuen Therapien genauestens beachtet werden. 3. Wichtige Effektorfunktionen von therapeutischen Antikörpern wie die Bindung an Fcγ-Rezeptoren und Zellzytolyse können maßgeschneidert werden, z. B. durch glycoengineering. 4. Der medizinische Einsatz von therapeutischen Antikörpern hat in den letzten Jahren stark zugenommen. 5. Die hohen Entwicklungs- und Produktionskosten von therapeutischen Antikörpern ist eine Hürde für deren breite klinische Anwendung.