Die Immunogenität des Zelltodes

Sterbende Tumorzellen können Neo-Antigene freisetzen, die eine Immunreaktion triggern und dadurch zu einer Abstoßung des Tumors führen. Neueste Forschungen haben jedoch gezeigt, dass die Immunogenität dieser Antigene davon abhängt, ob die Tumorzellen eines klassischen apoptotischen oder eines anders geregelten Zelltodes gestorben sind.

Extreme äußere Einflüsse (wie z. B. mechanischer Stress, Verbrennungen oder starke ionisierende Strahlen) können zu primärer Nekrose von Zellen führen, d. h. zu einem sofortigen Zerfall der Membran und Freisetzung des Zellinhalts. Einige der frei werdenden intrazellulären Moleküle wie z. B. High Mobility Group B1 (HMGB1), Heat Shock Proteine (HSPs), ATP oder Nukleinsäuren wirken als Damage Associated Molecular Patterns (DAMPs).1 Sie werden von Phagozyten über Pattern Recognition Rezeptoren (z. B. die Toll Like Rezeptoren, TLRs) erkannt und lösen dadurch eine Reaktion des angeborenen Immunsystems aus. Bei malignen Zellen kann die Reaktion noch weitergehen. Durch die genetischen Veränderungen im Rahmen der Tumorigenese exprimieren Tumorzellen viele Neo-Antigene. Im Fall einer primären Nekrose werden auch diese freigesetzt, von Phagozyten aufgenommen und zytotoxischen T-Zellen präsentiert. Dies aktiviert eine spezifische Immunreaktion gegen Tumorzellen, was zu weiterem Zelltod führt. Dieser von Cheng und Mellman2 als „Cancer Immunity Cycle“ beschriebene Ablauf kann aber bereits ganz an seinem Anfang unterbrochen werden. Um ungewollte Inflammation zu vermeiden, besitzen alle Zellen verschiedene Schutzmechanismen, die es ihnen erlauben, schädigende äußere Einflüsse so lange zu überleben, bis sie eine regulierte Form des Zelltodes aktivieren können, bei der die Zellmembran zumindest etliche Stunden intakt bleibt.3 Dementsprechend führen zytostatische Therapien in den allermeisten Fällen zu einem regulierten Zelltod anstatt zu primärer Nekrose.4

Apoptose

Die am besten untersuchte Form des regulierten Zelltodes ist die Apoptose. Dabei löst sich die Zelle von der extrazellulären Matrix ab und es kommt zu einer umfassenden Umorganisation der inneren Zellstruktur. Außerdem werden apoptotische Blebs abgeschnürt, was zu einer Reduktion des Zellvolumens führt. Phosphatidylserin, das apoptotische Zellen an ihrer Oberfläche exponieren, ist ein Signal für die umliegenden Phagozyten, die Zellreste zu entfernen. Es wurde lange Zeit angenommen, dass dieser als Efferozytose bezeichnete Prozess zu keiner immunologischen Reaktion führt. Neuere Ergebnisse zeigen allerdings, dass es dabei zu einer intrazellulären Aktivierung eines LAPosoms kommt, was eine aktive Sekretion von anti-inflammatorischen Mediatoren wie IL-10 oder TGFβ zur Folge hat.5 Wenn also eine zytostatische Therapie einen apoptotischen Zelltod induziert, wird der Cancer Immunity Cycle aktiv geblockt. Allerdings haben viele Zytostatika auch eine inhibierende Wirkung auf Phagozyten, wodurch sich apoptotische Zellreste anhäufen. Diese zerfallen mit der Zeit von selbst und setzen intrazelluläre Bestandteile frei. Da diese Zellen jedoch bereits eine apoptotische Umorganisation durchgemacht haben, ist die inflammatorische Potenz der DAMPs wesentlich reduziert.3 Entsprechend wird dieser Prozess als sekundäre Nekrose bezeichnet. Rein morphologisch ist für den Pathologen die primäre von der sekundären Nekrose nicht zu unterscheiden und sie werden allgemein als Nekrose zusammengefasst.6

Nekroptose, Ferroptose, …

Neuere Forschungen haben gezeigt, dass es neben der Apoptose noch etliche weitere Formen des geregelten Zelltodes gibt, die zu unterschiedlichen Immunreaktionen führen. Diese umfassen Necroptosis, Ferroptosis, Pyroptosis, Parthanatos, den Autophagie-abhängigen Zelltod und den Lysosomen-abhängigen Zelltod.7 Die meisten dieser Formen treten nur unter speziellen Bedingungen auf. Der Autophagie-abhängige Zelltod und die Nekroptose werden häufig bei Ischämie und chronischen Entzündungen beobachtet. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist eine Antwort auf eine unterbrochene Versorgung der Zelle. Die Zelle beginnt, Autophagosomen zu bilden, die intrazelluläre Organellen wie z. B. Mitochondrien zur Energiegewinnung verdauen können. Dies erlaubt der Zelle das Überleben kurzer Hungerperioden. Wird die Versorgung nicht rechtzeitig wiederhergestellt, kommt es zum Zelltod. Die Initiation der Nekroptose ist dieselbe wie bei der Apoptose. Es kommt zunächst zu einer Assemblierung des Death Receptor Komplexes. Wenn aber die anschließende Aktivierung der Caspasen blockiert ist, kommt es zu einer Phosphorylierung der Proteine RIPK1, RIPK3 und MLKL. Das resultierende P-MLKL wandert zu den verschiedenen Membranen in der Zelle und moduliert ihre Permeabilität. Während bei der Apoptose die Plasmamembran über mehr als 24 Stunden intakt bleiben kann, ist das bei der Nekroptose nur über wenige Stunden der Fall. Dies kann ausreichen, um eine rechtzeitige Efferozytose zu ermöglichen. Mehrere In-vitro-Studien weisen darauf hin, dass das Immunsystem auf Nekroptose mit einer milden Inflammation reagiert. Der In-vivo-Effekt ist allerdings noch nicht ganz aufgeklärt. Die Nekroptose wird als Ausweg angesehen, der eingeschlagen wird, um primäre Nekrose auch dann zu vermeiden, wenn eine Apoptose nicht möglich ist.

Zytostatika-induzierterimmunogener Zelltod

Die Erkenntnis, dass verschiedene Formen von Zelltod zu unterschiedlichen Immunreaktionen führen, kann therapeutisch genutzt werden. Die Forschungsgruppe um Laurence Zitvogel und Guido Kroemer hat vor ungefähr zehn Jahren gezeigt, dass eine Injektion von mit Doxorubicin getöteten kolorektalen CT26-Tumorzellen in Mäusen einen Impfschutz gegen diese Tumorzellen hervorrufen kann.8 Der dabei induzierte Zelltod wurde deshalb als Immunogenic Cell Death (ICD) bezeichnet. In einem weiteren Experiment wurde festgestellt, dass eine Behandlung eines in der Maus bereits etablierten Tumors mit Doxorubicin zu einer immunologischen Abstoßung des Tumors führt. Viele Folgestudien zeigten, dass verschiedenste Zytostatika ICD induzieren können. Dazu gehören neben Doxorubicin zwei weitere Anthrazykline, nämlich Mitoxantron und Epirubicin, außerdem Bleomycin, Oxaliplatin, Cyclophosphamid, Bortezomib, Etoposid, bestimmte Formen der Radiotherapie und andere Wirkstoffe. Interessanterweise zeigen chemisch sehr ähnliche Substanzen wie z. B. Oxaliplatin und Cisplatin sehr unterschiedliche Wirkungen: Die erste führt zu ICD, die zweite aber nicht. Molekulare Untersuchungen deuten darauf hin, dass es sich bei ICD entweder um eine sekundäre Nekrose oder um eine sehr ähnliche Sonderform des Zelltodes handelt. Es kommt zur Freisetzung von HMGB1, ATP und Calreticulin, die an drei Rezeptoren (CD91, purinergic P2Y2/P2X7 und TLR4) auf Makrophagen und dendritischen Zellen (DC) binden. Dies führt zu einer effizienten Efferozytose, aber auch zu einer Antigenpräsentation sowie zur Sekretion vom pro-inflammatorischen Interleukin 1β. HMGB1 kann auch im Blut quantitativ bestimmt werden. Wir konnten kürzlich zeigen, dass die Zunahme des Plasma-HMGB1-Spiegels bei Brustkrebspatientinnen während einer neoadjuvanten Chemotherapie mit Epirubicin und Docetaxel direkt mit dem Ansprechen auf die Therapie sowie mit dem Langzeitüberleben korreliert.9 Besonders interessant sind die Beobachtungen, dass ICD-induzierende Chemotherapeutika die Effizienz von Immuntherapien verstärken können. So verlängerte eine niedrigdosierte Cyclophosphamid-Gabe die Wirkung einer DC-Vakzinierungstherapie in Patienten mit malignem pleuralem Mesotheliom.10 Cyclophosphamid erhöhte auch die Immunogenität einer Vakzinierung mit Tumorantigenen in verschiedenen soliden Tumoren.11 Zurzeit werden mit Brustkrebspatientinnen und Magenkrebspatienten Studien durchgeführt, um zu untersuchen, ob die Wirkung des Immun-Checkpoint-Inhibitors Pembrolizumab durch die Kombination mit ICD-induzierenden Chemotherapeutika erhöht werden kann (NCT02957968; NCT02918162).

Resümee

Es hat sich gezeigt, dass die Wege, wie Zellen kontrolliert sterben können, und die Immunantwort darauf weit komplexer sind, als früher angenommen wurde. Es ist zu erwarten, dass es in näherer Zukunft möglich sein wird, durch gezieltes Induzieren eines immunogenen Zelltodes den Erfolg von Immuntherapien zu verstärken bzw. ihr Anwendungsspektrum zu erweitern.

1 Lauber K, Ernst A, Orth M, Herrmann M, Belka C. Dying cell clearance and its impact on the outcome of tumor radiotherapy. Front Oncol 2012; 2: 116
2 Chen DS, Mellman I. Oncology meets immunology: The cancer-immunity cycle. Immunity 2013; 39: 1–10
3 Sachet M, Liang YY, Oehler R. The immune response to secondary necrotic cells. Apoptosis 2017; 22: 1189–204
4 Wang YJ, Fletcher R, Yu J, Zhang L. Immunogenic effects of chemotherapy-induced tumor cell death. Genes Dis 2018; 5: 194–203
5 Green DR. Cell death and the immune system: getting to how and why. Immunol Rev 2017; 277: 4–8
6 Elmore SA, Dixon D, Hailey JR, Harada T, Herbert RA, Maronpot RR, Nolte T, Rehg JE, Rittinghausen S, Rosol TJ, Satoh H, Vidal JD, et al. Recommendations from the INHAND Apoptosis/Necrosis Working Group. Toxicol Pathol 2016; 44: 173–88
7 Galluzzi L, Vitale I, Aaronson SA, Abrams JM, Adam D, Agostinis P, Alnemri ES, Altucci L, Amelio I, Andrews DW, Annicchiarico-Petruzzelli M, Antonov AV, et al. Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death Differ 2018; 1
8 Kepp O, Senovilla L, Vitale I, Vacchelli E, Adjemian S, Agostinis P, Apetoh L, Aranda F, Barnaba V, Bloy N, Bracci L, Breckpot K, et al. Consensus guidelines for the detection of immunogenic cell death. Oncoimmunology 2014; 3: 1–19
9 Exner R, Sachet M, Arnold T, Zinn-Zinnenburg M, Michlmayr A, Dubsky P, Bartsch R, Steger G, Gnant M, Bergmann M, Bachleitner-Hofmann T, Oehler R. Prognostic value of HMGB1 in early breast cancer patients under neoadjuvant chemotherapy. Cancer Med 2016; 5: 2350–8
10 Cornelissen R, Hegmans JPJJ, Maat APWM, Kaijen-Lambers MEH, Bezemer K, Hendriks RW, Hoogsteden HC, Aerts JGJV. Extended tumor control after dendritic cell vaccination with low-dose cyclophosphamide as adjuvant treatment in patients with malignant pleural mesothelioma. Am J Respir Crit Care Med 2016; 193 (9): 1023–31
11 Murahashi M, Hijikata Y, Yamada K, Tanaka Y, Kishimoto J, Inoue H, Marumoto T, Takahashi A, Okazaki T, Takeda K, Hirakawa M, Fujii H, et al. Phase I clinical trial of a five-peptide cancer vaccine combined with cyclophosphamide in advanced solid tumors. Clin Immunol 2016; 166–167: 48–58
AutorIn: ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Rudolf Oehler

Universitätsklinik für Chirurgie – Forschungslaboratorien, Comprehensive Cancer Center, Medizinische Universität Wien


SO 08|2018

Herausgeber: Univ.-Prof. Dr. Christoph Zielinski, Univ.-Prof. Dr. Markus Raderer
Publikationsdatum: 2018-12-21