Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZIEntzündungs- und Tumormodelle
Entzündliche Erkrankungen
Präklinische Tiermodelle für die Testung neuer CED-Therapien
Ziel des Eigenforschungsprojekts ist die Entwicklung und Charakterisierung verschiedener CED-Tiermodelle für das Testen neuer Therapien und die Aufklärung von Pathogenesemechanismen. Dazu wurde ein Modell der chronischen DSS-Kolitis etabliert, das typische Symptome wie Gewichtsverlust und chronische, blutige Durchfälle aufweist. Zudem können im Darmgewebe der Tiere eine andauernde Immunreaktion und daraus resultierende Ulzerationen nachgewiesen werden. Außerdem wurde die bakteriell induzierte chronische Kolitis als alternatives Tiermodell für CED etabliert, das vor allem die Rolle der Mikrobiota in der Pathogenese und / oder als neuartiges therapeutisches Target im Fokus hat. Beide Modelle sollen sowohl für präklinische Studien als auch für die Aufklärung der Pathogenese und die Entwicklung neuer Therapien eingesetzt werden, wobei der Fokus bei Letzterem derzeit auf der Untersuchung des therapeutischen Potenzials von pflanzlichen Wirkstoffen liegt.
Zusammen mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ führen wir außerdem eine funktionelle Analyse des Darmmikrobioms im Modell der chronischen DSS-Kolitis in Balb/c-Mäusen durch. Ziel dieses Projekts ist es, die Interaktionen von Mikrobiom und mukosalem Immunsystem bei CED besser zu verstehen.
Projektleitung
Dr. Nadine Vollack-Hesse
Entwicklung eines neuartigen Therapiekonzepts für chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED) über nicht-toxische Liganden des Arylhydrocarbon-Rezeptors
Das Ziel konventioneller Therapien bei CED ist die Entzündung mit entzündungshemmenden Medikamenten zurückzudrängen. Eine Heilung ist bisher nicht möglich, d.h. die medikamentöse Therapie muss i.d.R. lebenslang aufrechterhalten werden. Das liegt insbesondere daran, dass es sich um systembezogene Therapien handelt. Es gibt nach wie vor keinen therapeutischen Ansatz der die bei CED auftretende Fehlregulation des Darmimmunsystems kausal und nachhaltig beeinflusst. Operative Maßnahmen sind oft mit Komplikationen und Änderungen in der Lebensqualität verbunden. Das Darmmikrobiom, welches maßgeblich durch die Ernährung aber auch durch den Einsatz von Antibiotika beeinflusst wird, spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von CED. Daher spielen die Ernährung und Alternativen zur Antibiotikatherapie eine zunehmende Rolle bei der Entwicklung neuer Behandlungsansätze dieser Erkrankungen. Neuere Studien belegen, dass der Arylhydrocarbon-Rezeptor (AhR) ein sehr vielversprechendes neuartiges therapeutisches Target bei CED darstellt.
Zahlreiche Arbeiten haben inzwischen gezeigt, dass der AhR im angeborenen sowie im adaptiven Immunsystem eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Immunhomöostase und bei der Kontrolle von Entzündungsreaktionen im Darm spielt. Der AhR ist von zentraler Bedeutung für die Kommunikation zwischen Immunzellen und Darmepithelzellen. AhR-Liganden aus der Nahrung oder aus der Mikrobiota aktivieren den AhR und fördern dadurch das Überleben und die Proliferation von Immunzellen und tragen so wesentlich zur Immunhomöostase bei. Auf Basis der kürzlich veröffentlichten AhR-Struktur soll ein aussagekräftiges Pharmakophormodell entwickelt werden, das durch die Verwendung von struktur- und ligandenbasierten Methoden für die Selektion neuer bisher unbekannter AhR-Liganden als Kandidaten für den späteren therapeutischen Einsatz bei CED benutzt werden soll. Zudem sollen in einem Repurposing-Ansatz für andere Indikationen bereits zugelassene Medikamente oder in der klinischen Prüfung befindliche Arzneimittelkandidaten als potenzielle AhR-Liganden identifiziert werden.
Das Projekt wird im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Immune-Mediated Diseases (CIMD) unterstützt.
Projektleitung
Dr. Nadine Vollack-Hesse / Dr. Jörg Lehmann
Pflanzenextrakte als Wirkstoffe zur Behandlung chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen
Aktuelle therapeutische Ansätze bestehen v. a. in der Hemmung der chronischen Immunreaktion im Darm mit Immunsuppressiva und Biologika. Da diese Therapien jedoch oft starke Nebenwirkungen zeigen, verfolgt die Pharmaindustrie die Entwicklung neuer Therapien mit geringeren Nebenwirkungen. Das für solche Entwicklungen häufig verwendete Modell der akuten Natrium-Dextransulfat (DSS)-induzierten Kolitis kann den chronischen Verlauf der Erkrankungen nur unzureichend darstellen. Daher wurde in der AG Präklinische Modelle ein chronisches Modell entwickelt, das den Krankheitsverlauf besser abbildet und zudem die Belastung für die Versuchstiere reduziert. Das Modell zeichnet sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit aus und ist daher hervorragend für die präklinische Evaluation von Wirkstoffen geeignet. Das Modell der chronischen DSS-Kolitis wurde bereits erfolgreich in Projekten mit Industriepartnern eingesetzt. Zudem konnte im Rahmen eines Eigenforschungsprojekts die therapeutische Wirkung eines auf Salbeiblüten und Koloquintenfrüchten basierenden pflanzlichen Extrakts nachgewiesen werden. Im nächsten Schritt sollen nun die spezifischen Wirkstoffe des Extrakts identifiziert und auf ihre therapeutische Wirkung hin untersucht werden. Der Einsatz von Phytopharmaka in der CED-Therapie könnte eine Verringerung der Dosis und damit eine Reduzierung der Nebenwirkungen klassischer Therapeutika ermöglichen. Zusätzlich könnten solche Therapien in Phasen der Remission eingesetzt werden, um damit der Entwicklung einer Resistenz gegen klassische Therapeutika vorzubeugen. Ziel ist es, die von CED-Patient*innen benötigte lebenslange Therapie so effektiv und erträglich wie möglich zu gestalten und damit die Lebensqualität der Patient*innen zu verbessern.
Projektleitung
Dr. Nadine Vollack-Hesse
Pressemitteilungen
Untersuchung der immunmodulatorischen Rolle des Arylhydrocarbon-Rezeptors (AhR) in vitro und in vivo im murinen Infektionsmodel
Im Rahmen dieses Projekts wurde in Kooperation mit dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) die immunmodulierende Wirkung des polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffs Benzo[a]pyren (BaP) charakterisiert. Während die kanzerogene Wirkung von BaP seit Jahrzehnten bekannt war, wurde der immunmodulierenden Wirkung von BaP, insbesondere von als unbedenklich eingestuften Konzentrationen, bisher nur wenig Beachtung geschenkt. Die immunmodulierenden Effekte wie auch der Abbau von BaP werden vorrangig über die Bindung und damit die Aktivierung des Arylhydrocarbon-Rezeptors (AhR) vermittelt. Um den Einfluss von BaP auf eine ablaufende Immunreaktion zu untersuchen, wird ein murines Salmonellen-Infektionsmodell verwendet. Die Erfoschung der zu Grunde liegenden Mechanismen erfolgt mittels geeigneter In-vitro-Modelle. Bisherige Untersuchungen beschränkten sich dabei hauptsächlich auf die Reifung und funktionelle Aktivierung von murinen Makrophagen. Durch Verwendung von AhR-defizienten Mäusen bzw. Zellen aus den Tieren kann die AhR-Abhängigkeit der nachgewiesenen Effekte demonstriert werden. Erste Ergebnisse in unserem Modell zeigten interessanterweise eine AhR-abhängige immunmodulierende Wirkung von BaP, die den Krankheitsverlauf positiv beeinflusste. In weiteren Experimenten sollen daher ausgewählte nicht-toxische AhR-Liganden auf ihr therapeutisches Potenzial in verschiedenen Krankheitsmodellen untersucht werden.
Projektleitung
Sina Riemschneider
Abgeschlossene Projekte
- Studie zur therapeutischen Wirksamkeit eines Immunmodulators auf Ionenbasis im Modell der chronischen DSS-Kolitis
- Studie zur therapeutischen Wirksamkeit eines Transglutaminase-Inhibitors im Modell der akuten DSS-Kolitis
Tumorerkrankungen
Präklinische und klinische Entwicklung einer neuartigen CAR-T-Zelltherapie zur Behandlung des Multiplen Myeloms und des klarzelligen Nierenzellkarzinoms
Die CAR-T-Zelltherapie basiert auf dem Prinzip, Immunzellen (T-Zellen) durch genetische Modifikation mit einem künstlichen chimären Antigenrezeptor (CAR) auszustatten. Dieser versetzt die Immunzellen in die Lage, spezifische Oberflächenstrukturen (Antigene) auf Krebs- oder anderen Zielzellen zu identifizieren und daraufhin eine entsprechende Immunantwort zu aktivieren.
Bei den bislang zugelassenen Therapieverfahren werden die T-Zellen mittels viraler Vektoren modifiziert und adressieren in den meisten Fällen das Zelloberflächenmolekül CD19, welches insbesondere bei bestimmten Arten von Blutkrebs und Lymphomen von den Zielzellen exprimiert wird.
Mit der ROR2-CAR-T-Zelltherapie entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Universitätsklinikums Würzburg eine Immuntherapie, die sich sowohl in der Art der genetischen Modifikation, wie auch dem adressierten Zielantigen von den bisher zugelassenen Therapien unterscheidet. Diese soll nun, im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes, in die klinische Anwendung überführt werden.
Das ROR2-Protein ist ein Transmembranrezeptor, der vor allem während der Embryonalentwicklung eine wichtige Rolle spielt. Es wird normalerweise nicht oder nur sehr geringfügig in normalen, gesunden Zellen und Geweben exprimiert. Bei einigen Krebsarten jedoch, darunter das Multiple Myelom und das klarzellige Nierenzellkarzinom, kommt es zu einer hochgradigen Expression auf den betreffenden Krebszellen. Dies macht das Antigen zu einem geeigneten Ziel für entsprechend ausgerichtete CAR-T-Zellen.
In diesem Projekt kommt ein neues, noch in der Erprobung befindliches Verfahren zur Herstellung autologer CAR-T-Zellen zum Einsatz. Die genetische Modifikation der patient*inneneigenen T-Zellen erfolgt hierbei über einen nicht-viralen Gentransfer, durch den, verglichen zum viralen Gentransfer, perspektivisch ein einfacherer, skalierbarerer und damit preiswerterer Herstellungsprozess ermöglicht werden kann. Der chimäre Antigenrezeptor wurde so konstruiert, dass er zusätzlich zur T-Zellaktivierung auch die Überexpression des Transkriptionsfaktors Batf3 initiiert, um die Persistenz der T-Zellen und die tumorizide Wirkung zu verbessern.
Das Fraunhofer IZI verantwortet zwei Schwerpunkte innerhalb des Projektes. Zum einen die präklinische Prüfung der Unbedenklichkeit und Wirksamkeit des neuartigen CAR-T-Zellproduktes im Rahmen einer GLP-Studie, zum andern die pharmazeutische Herstellung der klinischen Prüfpräparate für die klinische Studie, inkl. der vorherigen Etablierung und Validierung des Herstellungsprozesses sowie der sicherheitsrelevanten Qualitätskontrollen.
Die multizentrische klinische Studie (Phase I, first-in-human) wird an den Universitätskliniken Würzburg (Koordination, Prof. Dr. M. Hudecek), Regensburg und Leipzig realisiert.
Gemäß internationaler (OECD-Rahmen) und nationaler Richtlinien und Gesetze zur Zulassung neuer Arzneimittel, sind nicht-klinische Prüfungen zur Unbedenklichkeit neu entwickelter Wirkstoffe und Therapien unter Bedingungen der Guten Laborpraxis (GLP) durchzuführen. Die Ergebnisse entsprechender Prüfungen sind essentielle Voraussetzung für die Beantragung und Durchführung von klinischen Studien. Sicherheits- und Wirksamkeitsstudien zu den ROR2-CAR-T-Zellen werden in der GLP-Prüfeinrichtung des Fraunhofer IZI durchgeführt. Hierfür werden humanisierte Mausmodelle für das Multiple Myelom und das klarzellige Nierenzellkarzinom unter GLP etabliert und angewendet. Ziel dieser nicht-klinischen Studien ist es, unerwünschte Effekte, die sich aus der spezifisch gegen den Tumor gerichteten Aktivität der CAR-T-Zellen ableiten lassen, wie das Zytokinfreisetzungssyndrom oder das Tumorlysesyndrom, zu erfassen und zu bewerten. Besonderes Augenmerk wir zudem auf die tumorizide Wirkung und die Persistenz der CAR-T-Zellen gelegt.
In-vitro-Modelle zur Untersuchung neuer Targets gegen Tumorantigene
Die Arbeitsgruppe Entzündungs- und Tumormodelle bietet neben der wissenschaftlichen Expertise zu präklinischen Tumormodellen auch die Expertise zur Analyse von potenziellen Tumortargets in geeigneten In-vitro-Modellen an. Dabei stehen sowohl 2D- als auch 3D-Zellkultursystem zur Verfügung. So kann das Verhalten der Tumorzellen untersucht werden, wenn potenzielle Anti-Tumor-Wirkstoffe zugegeben werden. Je nach Art des Wirkstoffs kann das Internalisierungs- und Invasionsverhalten, eine mögliche Zell-Aktivierung / -Inhibierung, aber auch die Auswirkung auf die Proliferation getestet werden. Diese Versuche können in Echtzeitanalyse durchgeführt werden.
Projektleitung
Claudia Müller
Humanisierte Mäuse
Präklinische Prüfung einer CAR-T Zelltherapie im NSG-Mausmodell
Der Einsatz der CAR-T-Zelltherapie kann mit erheblichen Nebenwirkungen einhergehen, die sich in drei Kategorien unterteilen lassen:
- On-Target/On-Tumor-Toxizität
- On-Target/Off-Tumor-Toxizität und
- Off-Target/Off-Tumor-Toxizität.
Zu den kritischen On-Target/On-Tumor-Nebenwirkungen zählt unter anderem das Tumorlyse-Syndrom (Bonifant et al., 2016). Beim Tumorlyse-Syndrom kommt es durch das schnelle Absterben von vielen Krebszellen zur abrupten, massiven Freisetzung von intrazellulären Ionen, Nukleinsäuren, Proteinen und ihren Metaboliten in den extrazellulären Raum. Diese Metaboliten können die normalen homöostatischen Mechanismen des Körpers stören und verursachen unter anderem Urikämie, Hyperkaliämie, Hyperphosphatämie und Hypokalzose. Das Tumorlyse-Syndrom kann in der Folge zu einem akuten Nierenversagen führen (Cairo and Bishop, 2004).
Daher ist es wichtig, mögliche Nebenwirkungen einer gegen CAR-T-Zelltherapie in Korrelation zur erzielten therapeutischen Wirkung mittels geeigneter In-vivo-Modelle zu erfassen und zu bewerten. Für diese präklinische Testung verwenden wir humanisierte Tumormäuse, die sowohl durch die Injektion von Tumorzelllinien (CDX - cell line derived) oder Patient*innenmaterial (PDX - patient derived) Tumore entwickeln. Neben der Beurteilung des klinischen Verhaltes der Tiere, kann auch durch die Verwendung von Biolumineszenzbildgebung die Wirkung der CAR-T-Zellen beurteilt werden. Nach Versuchsende können in histologischen Analysen die On-target/Off-Tumor- aber auch die Off-target/Off-Tumor-Toxizitäten untersucht werden.
Präklinische Prüfungen einer CAR-T Zelltherapie im NSG-Mausmodell wurde bereits in unserer Abteilung als GLP-Studie nach der Guideline EMA/CAT/GTWP/671639/2008 i.V.m. EMA/CAT/852602/2018 durchgeführt.
Projektleitung
Claudia Müller
Entwicklung eines humanisierten Mausmodells zur Herstellung humaner monoklonaler Antikörper und Identifizierung neuer therapeutischer Zielstrukturen gegen TNBC
In diesem Projekt liegt der Fokus auf der Entwicklung und Etablierung eines humanisierten Mausmodells (huNSG; huNOG) zur Gewinnung neuartiger, voll humaner monoklonaler Antikörper, die zur Therapie von Tumorerkrankungen (Pilotprojekt: Dreifach-negatives Mammakarzinom) eingesetzt werden sollen. Hierbei kommen immundefiziente NSG- oder NOG-Mäuse zum Einsatz, die nach Transfusion humaner hämatopoetischer Stammzellen aus Nabelschnurblut ein humanisiertes Immunsystem ausgebildet haben. Durch gezielte Beeinflussung des Engraftments soll die Entwicklung tumorspezifischer B- und T-Zellen gefördert werden. Parallel dazu werden den Mäusen, die ein humanisiertes Immunsystem ausgebildet haben, Tumorzellen von Zelllinien (CDX) oder Patient*innenmaterial (PDX) transplantiert oder sie werden mit einem bekannten tumorspezifischen oder tumorassoziierten Antigen immunisiert. Zur Generierung tumorspezifischer, komplett humaner monoklonalen Antikörper, werden die B-Zellen isoliert und mit humanen Plasmozytomzellen fusioniert. Potenzielle Antikörperkandidaten werden zunächst in vitro in einer 2D- und 3D-Zellkultur auf ihr Internalisierungs- und Metastasierungsverhalten, sowie auf eine mögliche Komplement- und / oder NK-Zell-Aktivierung getestet (durchflusszytometrische Analysen; Echtzeitzellanalysen (xCELLigence®RTCA) und Lebendzell-Mikroskopie). Die Antikörper, die in vitro die besten Ergebnisse zeigen, werden weiter in präklinischen Studien (GLP-analog) im humanisierten Tumor-Xenotransplantat-Mausmodell (PDX) auf ihre Wirksamkeit geprüft und ggf. für den klinischen Einsatz optimiert zum Beispiel als Antibody Drug Conjugate (ADC), Antibody Cytokine Conjugate (ACC) oder bispezifische Antikörper.
In einem Kooperationsprojekt mit der Universität Regensburg (PD Dr. Anja Wege) konnte gezeigt werden, dass bei der Ko-Transplantation des humanen Immunsystems und der Tumorzellen Antikörper im Serum nachgewiesen werden können.
Die weitere Analyse der IgG-gebundenen Proteine zeigte, dass sich die gefundenen Antikörper gegen Zielstrukturen des Tumors richten.
Projektleitung
Claudia Müller
In-vivo-Modellentwicklung
Um neue Therapieoptionen in geeigneten Tiermodellen testen zu können, ist es vorab wichtig, diese zu etablieren. Kleintiermodelle, wie das Mausmodell, sind weit verbreitet, um neu entwickelte Medikamente oder Methoden präklinisch zu untersuchen. Jedoch gibt es immer wieder neue Fragestellungen, an die das Mausmodell angepasst werden muss. Die Entwicklung eines genetisch veränderten Mausstammes ist langjährig und sehr kostenintensiv. Mausstämme, für die noch kein transgenes Mausmodell zur Verfügung steht, können durch die Transduktion oder Transfektion eines Gentransfer in die entsprechenden Organe etabliert werden.
Die so generierten genetisch modifizierten Mäuse können anschließend für die Testung der neuen Medikamente oder Methoden präklinisch eingesetzt werden und sogar auf immundefiziente Mäuse mit humanem Immunsystem übertragen werden. So etabliert die Arbeitsgruppe Entzündungs- und Tumormodelle aktuell im Rahmen der Corona-Forschung ein humanisiertes NSG-Mausmodell, welches über eine AAV-basierte Transduktion oder eine Lipofektation das hACE2 im Lungengewebe replizieren soll.