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Die Immuntherapie mit Checkpoint-Inhibitoren hat die Krebstherapie revolutioniert. Sie führt bei multiplen soliden und hämatologischen Malignomen zu dauerhaften Remissionen, teilweise sogar zu Heilung. Trotz großer Hoffnungen, spricht die Mehrheit der Patienten auf die Checkpoint-Inhibitoren nicht an. Das Ansprechen ist auf einen Bruchteil der behandelten Patienten beschränkt, die aber deren Nebenwirkungen in Kauf nehmen müssen. Es besteht daher ein großer Bedarf, prädiktive Biomarker zu finden, die das Ansprechen auf die Immuntherapie vorhersagen können. Ihre Identifizierung würde die Selektion von Patienten, die für die Immuntherapie geeignet sind, verbessern. Damit könnten sowohl Therapiekosten als auch Nebenwirkungen reduziert werden.
Die Entwicklung von prädiktiven Biomarkern ist komplex und schwierig, u. a., weil ein Surrogatmarker für verschiedene Krebsarten mit unterschiedlicher Biologie gesucht wird. Erschwert wird sie auch dadurch, dass sich das Target der Immuntherapie durch Immunoediting ändern kann und über das Tumormikromilieu beeinflussbar ist. Die existierenden Anhaltspunkte zu Biomarkern wurden im Wesentlichen aus retrospektiven Untersuchungen gewonnen, prospektive Studien gibt es kaum.
Allgemein können Biomarker in Tumorzellen oder im Mikromilieu des Tumors vorkommen. Manche Biomarker lassen sich ausschließlich im Gewebe des Patienten, andere auch im Blut nachweisen.

PD-L1-Expresssion

Die PD-L1-Expression ist der derzeit einzig verfügbare Biomarker, der in der klinischen Routine Anwendung findet. Die Überexpression von PD-L1 auf den Tumorzellen wird als eine Form der adaptiven Resistenz auf die Präsenz von tumorinfiltrierenden T-Zellen verstanden. Der PD-1-Rezeptor, der nach Aktivierung der T-Zellen auf den tumorinfiltrierenden T-Zellen exprimiert wird, bindet an PD-L1, wodurch es zur Zerstörung der aktivierten T-Zelle kommt. Die Expression von PD-L1 wurde in einem Breiten Spektrum von Tumorarten nachgewiesen, wie Melanom, nichtkleinzelliges Lungenkarzinom (NSCLC), Nierenzellkarzinom, Urothelzellkarzinom, Magenkarzinom, Ovarialzellkarzinom, Merkelzellkarzinom, B-Zell-Lymphom und Hodgkin-Lymphom.
PDL-1 ist relevant, aber kein perfekter Biomarker. Zwar konnte in mehreren Studien eine Korrelation zwischen hoher PD-L1-Expression und Therapieansprechen festgestellt werden, aber auch PD-L1-negative Patienten können von der Checkpoint-Therapie profitieren. Die Relevanz als Biomarker unterscheidet sich von Indikation zu Indikation. Abgesehen vom NSCLC ist die Behandlung mit Anti-PD-1- bzw. Anti-PD-L1-Antikörpern nicht an einen PD-L1-Test gebunden. Das hat mehrere Gründe: Die PD-1-Expression ist kein statischer, sondern ein dynamischer Prozess. So entspricht die PD-L1-Expression im Primum nicht jener in den Metastasen. Weiters ist die PD-L1-Expression im Tumorgewebe heterogen, sodass eine Biopsie nicht die wirkliche Tumorbiologie widerspiegeln kann. Zudem ist nicht geklärt, ob nur die PD-L1-Expression auf den Tumorzellen oder auch die auf den tumorinfiltrierenden Entzündungszellen von Bedeutung ist. Zu guter Letzt stehen für die PD-L1-Färbung unterschiedliche Antikörper und Färbeplattformen mit unterschiedlichen Scoring-Systemen zu Verfügung, was einen Vergleich von Studien nicht möglich macht.
Aufgrund von Limitationen bei der PD-L1-Testung sind die Ergebnisse bzgl. der PD-L1-Expression umstritten, und ihre klinische Verwendung ist begrenzt. Mithilfe der immunhistochemischen Bestimmung der PD-L1-Expression lässt sich keine negative Patientenselektion erzielen. Vielmehr stellt die PD-L1-Überexpression einen Marker dar, der eine kleine Patientenpopulation definiert, die wahrscheinlicher von einer PD-1-Blockade profitieren könnte.

Immunzellinfiltration

Die Erwartungen an neue Biomarker für das Ansprechen auf Immuntherapie sind daher hoch. Zusätzlich zur PD-L1-Expression scheinen die Lokalisation und die Dichte von intratumoralen Immunzellen einen Vorhersagewert zu haben. Tumorentitäten, die gut auf eine Immuntherapie durch die PD-1-Blockade ansprechen, zeichnen sich häufig durch eine hohe Dichte an CD8-positiven PD1-positiven/CTLA-positiven T-Zellen aus, die den Tumor infiltrieren. Vor allem die Immunzellinfiltration am tumorinvasiven Rand korreliert mit einer besseren immunologischen antitumoralen Wirksamkeit.
In Studien wurde auch das T-Zell-Repertoire als Antwort auf die CTLA-4-Blockade untersucht. Höhere Antworten wurden dabei bei Patienten mit großer Diversität des T-Zell-Repertoires beobachtet. Darüber hinaus zeigte ein Anstieg von peripheren T-Zellklonen einen positiven Zusammenhang mit dem Ansprechen auf die PD-1-Blockade.

Tumormutationslast

Die Tumormutationslast gewinnt als Biomarker zunehmend an Bedeutung. Es wurde beobachtet, dass die Wahrscheinlichkeit für die Wirksamkeit der Immuntherapie bei hoher Mutationslast steigt. Dies basiert auf der Tatsache, dass Mutationen immunogen sind und eine tumorspezifische Immunantwort auslösen können. Die Tumormutationslast ist als die Anzahl somatischer Mutationen in einem Tumor definiert. Bestimmte Krebsarten weisen eine hohe Mutationslast auf. Die vollständige Exom-Sequenzierung zeigte eine signifikante positive Korrelation zwischen dem Grad der somatischen Mutationslast und einem verbesserten Ansprechen. Tumoren mit hoher Mutationslast können mit einer hohen Neoantigenlast einhergehen; Neoantigene sind Proteine, die auf der Zellmembran exprimiert werden und die zu einer hohen Immunogenität des Tumors und einer erhöhten T-Zell-Reaktivität sowie Immunantwort gegen die Tumorzellen führen können. So weisen Patienten mit NSCLC und Ansprechen auf Pembrolizumab eine molekulare Signatur auf, die für die rauchbedingte Mutagenese charakteristisch ist. Die Bestimmung der Mutationslast ist aufwendig und schwer in den klinischen Alltag zu implementieren. Die Tumormutationslast kann unter Verwendung von Next-Generation Sequencing bestimmt werden, wobei der Grenzwert noch nicht definiert ist.

DNA-Reparaturdefekte: Eng verknüpft mit der Mutationslast ist eine Defizienz bzw. Mutation des DNA-Mismatch-Reparatursystems. Als Folge defekter DNA-Reparaturproteine tritt eine Mikrosatelliteninstabilität auf, die mit einer hohen Mutationsrate und einem vermehrten Auftreten von Neoantigenen einhergeht. Interessanterweise enthält die Mikroumgebung in diesen mikrosatelliteninstabilen Tumoren viele Entzündungszellen und ist reich an Zytokinen. Eine wichtige Entdeckung war die Erkenntnis, dass Patienten mit DNA-Reparaturdefekten besser auf eine Checkpoint-Immunblockade ansprechen. In einer wegweisenden Studie bei Patienten mit kolorektalem Karzinom konnte gezeigt werden, dass Ansprechen mit defektem DNA-Mismatch-Reparatursystem und Mikrosatelliteninstabilität korreliert. Ähnliche Ergebnisse konnten bei anderen Tumorentitäten generiert werden. Deshalb wurde Pembrolizumab von der FDA als erste Substanz, unabhängig von der Tumorentität, für Tumoren mit Defizienz des DNA-Mismatch-Reparatursystem zugelassen.

Heiße und kalte Tumoren: Das Ansprechen auf Immun-Checkpoint-Blockade wird auch stark von der Zusammensetzung der Tumormikroumgebung beeinflusst. „Heiße“ Tumoren mit Entzündung sprechen auf die Checkpoint-Inhibitoren besser an und sind durch eine Gensignatur charakterisiert, die Interferon-γ-Gene induzieren. „Kalte“ Tumoren mit schlechtem Ansprechen auf die Checkpoint-Inhibitoren weisen hingegen eine sogenannte „IPRES“-Gensignatur auf. Hier kommt es zu einer gesteigerten Expression von Genen, die bei der epithelial mesenchymalen Transition, der Zelladhäsion, dem Umbau der extrazellulären Matrix, der Angiogenese und der Wundheilung eine wichtige Rolle spielen.
Die Bestimmung von Biomarkern aus dem Serum ist unausgereift und wird daher in der klinischen Praxis nicht angewandt. Die absolute Lymphozytenzahl im peripheren Blut hat wahrscheinlich einen positiven Effekt auf das Ansprechen einer Immuntherapie. Ebenso wurden eine niedrige Neutrophilen/Lymphozyten-Ratio, eine niedrige Baseline-LDH sowie ein Anstieg der Eosinophilenzahl mit einer besseren immunologischen antitumoralen Wirksamkeit in Verbindung gebracht.

Darmmikrobiom

Ob eine Immuntherapie erfolgreich ist, scheint auch vom Darmmikrobiom abzuhängen. So konnten bei den Patienten, die ansprechen (Responder) und denen, die nicht ansprechen (Non-Responder) signifikante Unterschiede hinsichtlich der Diversität und Zusammensetzung der Darmflora festgestellt werden.
In einer texanischen Studie zeigte sich, dass bei Patienten, bei denen die Behandlung anschlug, eine reichhaltigere Darmflora und insbesondere Bakterien aus der Ruminococcaceae-Familie vorhanden waren. Bei Patienten, die nicht von der Immuntherapie profitierten, war die Bakterienvielfalt wesentlich geringer, ebenso deutete eine hohe Konzentration von Bacteroidales auf ein baldiges Tumorrezidiv hin. Anscheinend steigerten große Mengen von günstigen Darmbakterien die Zahl der CD4-positiven und CD8-positiven T-Zellen, die vermehrt Zytokine ausschütten. Bei Non-Respondern waren dagegen vermehrt regulatorische T-Zellen und myeloide Suppressorzellen aktiv, die die Zytokinausschüttung abschwächen.
In einer weiteren, französischen Studie wurde bei den Respondern deutlich häufiger das Bakterium Akkermansia muciniphila gefunden. Bei diesen Patienten wurde die Immunantwort von CD4-positiven und CD8-positiven T-Zellen und dendritischen Zellen angeregt, was wiederum zu erhöhten Interferon-γ- und Interleukin-12-Spiegeln führte. Die französischen Forscher stellten auch fest, dass die Behandlung mit Antibiotika die Immuntherapie weniger effektiv macht. Eine orale Supplementation von Akkermansia muciniphila verbesserte bei antibiotisch vorbehandelten Mäusen sowohl die Immunantwort als auch das Ansprechen auf die Immuntherapie.
Beide Arbeitsgruppen konnten bei krebskranken Mäusen das Ansprechen auf die Immuntherapie steigern, indem sie Bakterien transferierten. Dazu wurden Bakterien von den Patienten, bei denen der Tumor auf die Immuntherapie angesprochen hatte, auf Mäuse übertragen. Eine Mikrobiomanalyse von Melanompatienten ergab zudem einen Zusammenhang zwischen schweren Nebenwirkungen der Immuntherapie und der Zusammensetzung der Darmflora: Während z. B. ein hohes Vorkommen von Bacteroides fragilis mit weniger schweren Nebenwirkungen assoziiert war, traten diese bei Patienten, bei denen Bacteroides stercoris in großer Zahl vorkam, häufiger auf. Die Zusammenhänge zwischen Darmflora, Antibiotika und Immunsystem bei Krebspatienten sind nicht vollständig erforscht. Es laufen dazu viele Untersuchungen.

Resümee

Zusammenfassend ist aufgrund der Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Tumor und Immunsystem am ehesten wahrscheinlich, dass kein singulärer Biomarker, sondern eine Kombination von unterschiedlichen Markern das Vorhersagen des Ansprechens ermöglichen wird.
Zur individuellen Anpassung der Therapiewahl wurde jüngst vorgeschlagen, kombinierte Marker heranzuziehen, die mittels Tumorgenomik, Immunhistochemie und Blutuntersuchungen gewonnen werden. In diesem ,,Cancer Immunogram“ wurden insgesamt sieben relevante Parameter aufgezeigt, die dazu beitragen sollen, Therapieentscheidungen in einem dynamischen und sich verändernden Kontext zu erleichtern: allgemeiner Immunstatus der Patienten (Lymphozytenzahl), PDL-1-Expression, Immunzellinfiltration (intratumorale T-Zellen), Fremdheit des Tumors (Last an Neoantigenen), Tumorempfänglichkeit für Effektormechanismen (IFN-γ-Sensitivität, MHC-Expression), lösliche Inhibitoren (IL-6, CRP) und immunrestriktive Stoffwechselmetaboliten (LDH, Hypoxie). Zahlreiche weitere Kandidaten werden derzeit in klinischen Studien evaluiert.

Ao. Univ.-Prof. Dr. Van Anh Nguyen

Universitätsklinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie, Medizinische Universität Innsbruck

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