1. Hintergrund Antikörper Antikörper sind die körpereigene Abwehrtruppe des Menschen. Sie sind Eiweiße, die zwischen gefährlichen und ungefährlichen Fremdsubstanzen unterscheiden können und eine Immunantwort des Körpers herrufen können. Der Mechanismus, der dahintersteckt, ist sehr komplex. Weil Antikörper Moleküle des Körpers und Bestandteil des Immunsystems sind, interessiert sich vor allem die biomedizinische Forschung für sie. So bilden Antikörper die Basis für Medikamente, die bei Autoimmunkrankheiten, Transplantionsabstoßungen oder Krebs wirkungsvoll eingesetzt werden. Die Bedeutung von Antikörpern für die Immunantwort: Die Abwehr von Krankheiten (z. B. Infektionen oder die Beseitigung von entarteten Zellen im Körper) ist in vielen Fällen ohne medikamentöse Hilfe durch ein Zusammenwirken der Zellen des Immunsystems möglich. Unter den sogenannten Lymphozyten (= Teil der weißen Blutzellen) gibt es zwei Hauptgruppen, die für eine Immunantwort verantwortlich sind: die B-Zellen und die T-Zellen. B-Zellen sind für die Produktion von Antikörpern (Ak) zuständig. Funktion der B-Zellen: B-Zellen (= B-Lymphozyten) reifen im Knochenmark und zirkulieren danach im Blut und in der Lymphflüssigkeit. Um mögliche körperfremde Strukturen zu erkennen, tragen B-Zellen Antikörper als Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche. Die fremden Strukturen nennt man Antigene - es sind meist relativ kleine Eiweißstrukturen oder Polysaccharide auf z. B. anderen Zellen oder auf Krankheitserregern. Ein fremdes Antigen wird von der B-Zelle erkannt, wenn es an den Antikörper-Rezeptor binden kann. Die B-Zellen werden dann aktiviert (mit Hilfe der T-Zellen) und produzieren Antikörper, die in großen Mengen in die Umgebung freigesetzt werden.
2 Abbildung 1: B-Zellen besitzen Membran-ständige Immunglobuline (mig). Diese bestehen aus zwei identischen leichten (L) und schweren (H) Peptidketten. Die variablen Regionen (VL und VH) bilden die Antigen-Bindungsstelle (Paratop). Quelle: www.infektionsbiologie.ch Jede B-Zelle trägt nur einen Typ eines spezifischen Antikörpers als Rezeptor und kann auch nur diesen einen Typ Antikörper produzieren. Die Spezifität des Antikörpers ergibt sich aus seiner Antigen-Bindungstelle, d. h. ein Antikörper kann nur eine einzige mögliche Antigenstruktur binden. Von einer B-Zelle (bzw. ihren genetisch gleichen Nachkommen = Klonen) werden untereinander identische monoklonale Antikörper (mab) gebildet. Struktur der Antikörpermoleküle: Antikörpermoleküle gehören zu der Klasse der Immunglobuline. Es sind große Y -förmige Proteine, die aus zwei unterschiedlichen Bereichen bestehen: einer konstanten Region und einer variablen Region. Die variable Region kommt in einer fast unendlichen Vielfalt vor und ermöglicht die spezifische Bindung von Antigenen. Jeder der Antikörper besteht aus jeweils vier untereinander verbundenen Polypeptidketten: zwei leichten (L)- und zwei schweren (H)- Ketten, die jeweils variable und konstante Abschnitte haben. Jeder Antikörper hat zwei identische
3 Antigenbindungs-Stellen an der Spitze der Arme des Y. Die große Vielfalt der Antigen-Bindungsstellen ( entspricht der Spezifität) unterschiedlicher Antikörper kommt durch die genetischen Kombinationsmöglichkeiten zustande. Die Gene für die variablen Bereiche sind in unterschiedliche Abschnitte unterteilt, die untereinander vielfach kombinierbar sind. Um eine noch größere Anzahl an unterschiedlichen Spezifitäten zu erhalten, werden die H- und L-Ketten zufällig miteinander kombiniert. Es entsteht auf diese Weise ein riesiges Repertoire von unterschiedlichen Antikörper- Spezifitäten. Dieses fast unbegrenzte Repertoire an unterschiedlichen Antikörper- Spezifitäten ist notwendig, um weitgehend alle möglichen fremden Antigene, auf die der Körper im Verlauf seines Lebens treffen könnte, zu erfassen. Nur so ist ein Erkennen von Krankheitserregern und entarteten Zellen und damit eine Immunantwort möglich. Abbildung 2: T-Zellen besitzen den T-Zell Rezeptor (TZR), der gleichzeitig nicht nur spezifisch "Fremd" (ein fremdes Peptid), sondern auch "Eigen" erkennt. Der TZR besteht aus einem heterodimeren Molekül aus alpha- und beta-ketten (oder gamma- und delta-ketten). Die variablen N-terminalen Enden der beiden Ketten bilden die Bindungsstelle zum Antigen, das von MHC-Molekülen präsentiert wird, woran Korezeptoren (CD4 oder CD8) binden. Quelle: www.infektionsbiologie.ch Das Bein des Y, der konstante Teil, ist für die unterschiedlichen Antikörperklassen zuständig. Dies bedingt die unterschiedlichen Funktionen (z. B. löslich oder gebundener Rezeptor) nicht aber die Spezifität. Da Antikörper nur an sehr kleine Bereiche eines Zielmoleküls binden, können verschiedene Antikörper gegen das
4 gleiche Molekül gebildet werden. Wirksam sind dabei nur die Antikörper, die durch ihre Bindung an das Molekül dessen Funktion blockieren. Funktion von Antikörpern: Die Wirkung von Antikörpern kann auf einer Neutralisation beruhen: Toxine oder Viren werden von dem Antikörper gebunden und können dann nicht mehr an das Zielmolekül bzw. die Zielzelle binden. Eine weitere Funktion der Antikörper ist die Opsonisierung : Antikörper hüllen z. B. Krankheitserreger ein - Phagozyten (Fresszellen) erkennen dann den konstanten Bereich der Antikörper und können dadurch den Krankheitserreger als fremd erkennen und zerstören. Eine weitere wichtige Aufgabe von Antikörpern ist die Aktivierung des Komplementsystems. Grundsätzlich binden Antikörper hochspezifisch an Antigene (Proteine, Peptide, Polysaccharide) und ermöglichen so weitere Reaktionen des Immunsystems. Durch das von Köhler und Milstein vor 1975 entwickelte Verfahren zur Herstellung monoklonaler Antikörper (mab) lassen sich Antikörper in nahezu unbegrenzter Menge herstellen. Durch die hohe Spezifität der Antigenbindungs-Stellen der Antikörper lassen sich mit mab Antigene isolieren (in diagnostischen Verfahren auch umgekehrt), Zellen differenzieren und separieren, Gene und deren Produkte identifizieren u.v.m. In der klinischen Medizin und der biologischen Forschung sind mab von zentraler Bedeutung. Die Bedeutung von Antikörpern als Medikamente: Antikörper haben in der Medizin als Therapeutika eine herausragende Bedeutung, da es sich im Grunde um körpereigene Moleküle des Immunsystems handelt. Der Einsatz von Antikörpern eignet sich hauptsächlich bei der Behandlung von Autoimmunerkrankungen, von Transplantat-Abstoßung und von Krebs. Auch einzelne Viren können geeignet mit monoklonalen Antikörpern abgewehrt werden (Bsp. Synagis = anti-rsv). Darüberhinaus werden Ab-Fragemente, die gegen spezifische Zellprotein-Antigene gerichtet sind, für die medizinische Forschung zunehmend interessant (Bsp.
5 Abciximab = anti-glycoproteiniib/iiia verhindert Aggregation von Blutplättchen bei Patienten mit Herzkrankheiten). Bei Autoimmunerkrankungen richten sich Zellen des Immunsystems (v. a. T-Zellen), die eigentlich tolerant gegenüber den eigenen Antigenen sein müssten, gegen eigene Gewebsoberflächenantigene (Autoantigene). Viele Autoimmunerkrankungen sind mit starken entzündlichen Reaktionen assoziiert (z. B. Rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn, allergisches Asthma, Psoriasis) und werden bislang durch eine generelle Suppression des Immunsystems behandelt (Corticosteroide, cytotoxische Substanzen, Immunsuppressiva). Anti-Cytokin-Antikörper versprechen eine gezieltere Therapie der Krankheiten (Bsp. anti-tnf). Cytokine sind die Botenstoffe, mit denen sich die Zellen des Immunsystems untereinander in einem sehr sensiblen und komplizierten System verständigen. Durch anti-cytokin-antikörper kann in dieses sensible System modifizierend eingegriffen werden. Das Cytokin TNF (Tumor-Nekrose Faktor) aktiviert Killerzellen und Makrophagen ( Fresszellen ) und ist mit Entzündungen assoziiert. Durch anti-tnf mab kann die Entzündungsreaktion verringert werden. Auch gegen andere Cytokine werden mab entwickelt, Bsp. Interleukine (IL-2 bis IL 15) oder Interferone. Ein weiterer interessanter Ansatz ist die Entwicklung von mab gegen Oberflächenantigene, die spezifisch auf den Zellen des Immunsystems vorkommen (Bsp. CD-Antigene). Durch Bindung von Antikörpern an diese Antigene wird die Zell- Zell-Interaktion oder die Zell-Cytokin-Kommunikation verhindert. Auf diese Weise kann z. B. die Zellwanderung verhindert werden (Bsp.: anti-cd18). Immunzellen werden so gehindert an den Ort der Entzündung zu gelangen. Spezifischer wäre es, die Toleranz gegenüber den betreffenden Autoantigenen gezielt wiederherzustellen (durch Blockade der krankheitsverursachenden spezifischen T-Zell-Rezeptoren). Bisher ist jedoch kein gezielter Eingriff gelungen, da bei den meisten Autoimmunkrankheiten polyklonale T - und B-Lymphozyten gegen Autoantigene existieren.
6 Transplantat-Abstoßung: Da unterschiedliche Individuen sich voneinander in der Zusammensetzung ihrer Zelloberflächen-Antigene unterscheiden, werden transplantierte Gewebe oder Organe normalerweise von dem Immunsystem als fremd erkannt. Es kommt zu einer Abstoßungsreaktion gegen die fremden Oberflächenantigene. Hierbei werden sowohl B- als auch T-Zellen aktiviert. Um dies zu verhindern, wird nach einer Transplantation das Immunsystem supprimiert. Zu einer besonders schweren Komplikation kann es nach der Transplantation von Knochenmark oder Stammzellen kommen, der sog. Graft-versus-Host Reaktion, bei der sich die transplantierten Immunzellen gegen das Gewebe des Empfängers richten. Die Abstoßungsreaktion kann mit generellen Immunsuppressiva verhindert werden. Eine Verbesserung der Behandlung soll durch anti-cytokin-antikörper und damit eine gezieltere Beeinflussung der Immunreaktion ermöglicht werden. 1994 wurde als der erste therapeutische Antikörper anti-cd3 (=Oberflächenantigen von T-Zellen) zugelassen. Anit-CD3 wird als Zusatz zu immunsuppressiven Medikamenten bei der Behandlung von Abstoßungsreaktionen bei Nierentransplantationen eingesetzt. Krebs: Tumoren tragen auf ihrer Zelloberfläche häufig Proteine, die auf gesunden Zellen so nicht vorkommen. Durch monoklonale Ab gegen diese Tumorantigene ungekoppelt oder gekoppelt mit Toxinen lässt sich das Tumorwachstum kontrollieren. Die mab können als Zusatzbehandlung zu anderen Therapien eingesetzt werden. Tumorspezifische Mab haben eine enorme diagnostische Bedeutung. Durch z.b. radioaktiv-gekoppelte mab können Tumoren und Metastasen spezifisch sichtbar gemacht werden. Die Therapie mit ungekoppelten mab erweist sich als problematisch, da die mab nicht genügend tief in die Tumormasse eindringen können und mab die Tumoren nicht abtöten können eine Kopplung mit Toxinen ( z.b. Ricin-A-Kette und Pseudomonas-Toxin) bietet sich daher an. MAb werden auch mit Adriamycin oder Radioisotopen gekoppelt eingesetzt. Dies führt durch die Bindung von Ak an die Tumorantigene zu einer Konzentration des Toxins am Tumor und damit zu einem Abtöten der Tumorzellen.
7 Antikörper lassen sich leicht in Nagetieren (wegen der vorherigen Immunisierung) herstellen. Sie werden vom Menschen als fremd erkannt und es kommt zu einer Abstoßungsreaktion gegen v. a. den konstanten Teil der Antikörper. Um dies zu umgehen, werden möglichst weitgehend humane Ak mit verschiedenen Technologien hergestellt, die nicht als fremd erkannt werden: 1. Klonierung menschlicher V-Regionen in einer Phagen-Display-Bibliothek, die anschließend auf ihre Bindung an die gesuchten Antigene hin selektioniert werden. Dies führt zu vollständig humanisierten mab. 2. Herstellung von transgenen Mäusen, denen eigene Immunglobuline fehlen und denen die menschlichen Gene für die schweren und leichten Ketten eingeschleust werden (Bsp. Xenomaus). 3. Antigenbindende Domänen eines monoklonalen Maus-Antikörpers werden mit der Rahmenstruktur eines menschlichen Antikörpers kombiniert (=Humanisierung).