ArchivDeutsches Ärzteblatt47/2003Therapeutische Oligonukleotide

MEDIZIN: Kongressberichte und -notizen

Therapeutische Oligonukleotide

Dtsch Arztebl 2003; 100(47): A-3102 / B-2577 / C-2406

Hartmann, Gunther; Endres, Stefan

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LNSLNS Das Wissenschaftsmagazin „Science“ bewertete als wichtigste wissenschaftliche Errungenschaft des Jahres 2002 das Phänomen der so genannten RNA-Interferenz. Dieses neue biologische Prinzip wird durch kurzkettige interferierende RNA-Moleküle (small interfering RNA, siRNA) vermittelt. Dieses und zwei verwandte Forschungsfelder – Antisense-Oligonukleotide und immunstimulatorische CpG-Oligonukleotide – waren Themen des Internationalen Symposiums „Therapeutic Oligonucleotides in Drug Development“, das im Juni 2003 an der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften in Berlin stattfand. Die Tagung unter der Leitung von Stefan Endres und Gunther Hartmann, München, sowie Klaus-Dieter Langner, Aachen, wurde von der Paul-Martini-Stiftung ausgerichtet. Die Paul-Martin-Stiftung, getragen vom Verband forschender Arzneimittelhersteller in Deutschland, unterstützt die klinisch-therapeutische Forschung durch die Veranstaltung von wissenschaftlichen Symposien.
Antisense-Oligonukleotide
Das Prinzip der Antisense-Oligonukleotide wurde erstmals 1978 von einer Arbeitsgruppe an der Harvard Medical School in Boston, USA, beschrieben (1). Ein Antisense-Oligonukleotid ist ein einzelsträngiges kurzkettiges Nukleinsäuremolekül mit einer bestimmten Abfolge von Basen. Antisense-Oligonukleotide binden über komplementäre Basenpaarung an die RNA eines Zielproteins. Aufgrund der sequenzspezifischen Bindung (Watson-Crick-Basenpaarung) kommt es zu einer gezielten Hemmung der Expression des Zielproteins. Antisense-Oligonukleotide können synthetisch hergestellt und so modifiziert werden, dass eine ausreichende Stabilität gegenüber abbauenden Enzymen gewährleistet ist. Die wichtigste dieser Modifikationen ist die Phosphorothioat-Modifikation. Dabei wird ein Sauerstoffatom im Phosphat durch ein Schwefelatom ersetzt. Antisense-Oligonukleotide werden von Zellen in geringer Menge spontan aufgenommen. Zudem kann durch Verwendung bestimmter Trägerlipide eine Verbesserung der Aufnahme und eine für die Wirkung der Oligonukleotide günstigere intrazelluläre Verteilung erreicht werden. Bei der therapeutischen Umsetzung bestehen einige Schwierigkeiten. So sind beispielsweise die Stabilität und die zelluläre Aufnahme der Antisense-Oligonukleotide in vivo nicht abschließend geklärt. Diese Schwierigkeiten stehen bislang einer raschen Entwicklung von neuen Wirkstoffen aus diesem Bereich entgegen. Als erstes Antisense-Oligonukleotid wurde 1998 Fomivirsen, ein 20 Basen langes mit Phosphorothioat modifiziertes Oligodesoxyribonukleotid, für die Behandlung von Virostatika-refraktä-
rer Cytomegalie-Virus- (CMV-)Retinitis bei Aids-Patienten (lokale Injektion in den Glaskörper) von der amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen. Durch die Erfolge bei der Therapie der HIV-Infektion mit Reverse-Transkriptase-Inhibitoren und Proteinaseinhibitoren wurde diese Indikation jedoch selten. Ein weiteres Antisense-Oligonukleotid (Genasense), wird derzeit in multizentrischen Phase-3-Studien in Kombination mit einer Chemotherapie zur Behandlung des malignen Melanoms getestet. Genasense ist ein Antisense-Oligonukleotid gegen das in Tumoren überexprimierte Anti-Apoptose-Protein bcl-2.
CpG-Oligonukleotide
Bei der therapeutischen Aktivität des Antisense-Oligonukleotids Genasense spielt möglicherweise ein anderes Wirkprinzip eine wichtige Rolle: die Immunstimulation durch CpG-Motive. CpG-Motive sind nicht methylierte Cytidin-Guanosin-Dinukleotide mit bestimmten flankierenden Basen (zum Beispiel 5´-GTCGTT-3´). Der Wirkmechanismus von CpG-Oligonukleotiden (kurzkettige einzelsträngige synthetische DNA-Oligonukleotide, die solche CpG-Motive enthalten) ist grundverschieden von Antisense-Oligonukleotiden, und wurde 1995 von Arthur Krieg an den National Institutes of Health, in Bethesda, USA, entdeckt (2). CpG-Motive sind charakteristisch für mikrobielle DNA (Bakterien und Viren) und sind in der Wirbeltier-DNA unterrepräsentiert. Das Immunsystem von Wirbeltieren besitzt ein Rezeptorprotein für die Erkennung von CpG-Motiven in der DNA (Toll-like receptor 9, TLR9). TLR9 wird auf bestimmten Immunzellen exprimiert und erlaubt dem Immunsystem die Erkennung von Bakterien oder Viren mithilfe der dort vorliegenden CpG-Motive (4) (Grafik 1). Es handelt sich hier also um eine Protein-DNA-Wechselwirkung und nicht um eine Watson-Crick-Basenpaarung zwischen zwei Nukleinsäuresträngen, wie dies bei Antisense-Oligonukleotiden der Fall ist. Ein weiterer wichtiger Unterschied im Hinblick auf die klinische Anwendung ist die Tatsache, dass für CpG-Oligonukleotide, im Gegensatz zu Antisense-Oligonukleotiden, keine Aufnahme in das Zytoplasma notwendig ist. Die zelluläre Aufnahme von CpG-Oligonukleotiden ist damit nicht limitierend und die klinische Anwendung damit nicht wie bei Antisense-Oligonukleotiden erschwert. Kürzlich wurde die erste klinische Studie mit einem CpG-Oligonukleotid als Vakzine-Adjuvans bei der Immunisierung von gesunden Probanden mit Hepatitis-B-Surface-Antigen (HBsAg) veröffentlicht (5). Dieses CpG-Oligonukleotid war dem Standardadjuvans Aluminiumhydroxid (Alum) deutlich überlegen (über neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der CpG-Oligonukleotide siehe Abschnitt „Auswahl von Beiträgen“).
siRNA
CpG-Motive in mikrobieller DNA sind nicht das einzige Merkmal von Nukleinsäuren, wodurch das Eindringen von Mikroben in das Immunsystem erkannt wird. Neben dem Rezeptor TLR9 für CpG-Motive benutzt das Immunsystem den Rezeptor TLR3 für die Erkennung von doppelsträngiger RNA. Doppelstrang-RNA ist charakteristisch für bestimmte RNA-Viren. Seit langem ist bekannt, dass Doppelstrang-RNA das Immunsystem zur Bildung der antiviralen Zytokine aus der Gruppe von Interferon-a anregt. Neben der Bildung dieser Zytokine induziert Doppelstrang-RNA aber auch weitere antivirale Mechanismen, die die Translation von Proteinen unspezifisch hemmen. Diese sequenzunspezifische Wirkung von Doppelstrang-RNA hat eine weitere Eigenschaft von Doppelstrang-RNA lange Zeit überdeckt: den Mechanismus von RNA-Interferenz. Dieser wurde erst vor fünf Jahren entdeckt (3) und in einer Reihe von unabhängigen Publikationen bestätigt. Unter RNA-Interferenz versteht man die sequenzspezifische Hemmung der Translation eines Proteins durch ein Doppelstrang-RNA-Molekül identischer Sequenz. Darüber hinaus verlieren kurzkettige Doppelstrang-RNA-Moleküle von einer Länge von etwa 21 Basen mit überhängenden Enden am jeweiligen 3´-Ende die immunstimulatorische Eigenschaft, wobei die sequenzspezifische Hemmung des Zielproteins erhalten bleibt. Diese kurzen RNA-Moleküle wirken nicht nur bei exogener Zugabe, sondern sie werden von den Zellen selbst gebildet. Ursprünglich bei dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans beschrieben, werden mittlerweile auch in menschlichen Zellen bis zu 250 verschiedene dieser kurzen regulatorischen RNA-Moleküle vermutet. Damit wurde ein völlig neues Prinzip entdeckt, mit dem eine Zelle das Ablesen von Genen steuern kann. Das Gebiet der RNA-Interferenz hat sich in wenigen Jahren zu einem hoch aktiven Forschungsgebiet der Zellbiologie entwickelt. Ferner werden kurzkettige Doppelstrang-RNA-Moleküle derzeit intensiv auf eine mögliche therapeutische Anwendung beim Menschen hin untersucht.
Die zentrale Bedeutung der immunstimulatorischen Komponente für die Entwicklung von Antisense-Oligonukleotiden (Erkennung von CpG-Motiven über TLR9) und von siRNA (Erkennung von Doppelstrang-RNA über TLR3) ist in der Grafik 2 dargestellt
Auswahl von Beiträgen des Symposiums
Bei der Tagung in Berlin kamen erstmals in Deutschland Grundlagenwissenschaftler und Mediziner aus den
Bereichen Antisense-Oligonukleotide, CpG-Oligonukleotide und siRNA zusammen.
Antisense-Oligonukleotide
Die Modulation von Apoptose-assoziierten Proteinen wie bcl-2 (anti-bcl-2 Antisense-Oligonukleotid G3139, Genasense) steht derzeit im Vordergrund der Bemühungen im Bereich der Hämatologie und Onkologie, so Ingo Tamm von der Charité in Berlin. Interessante neue Befunde zu diesem Oligonukleotid präsentierte Volker Gekeler, Konstanz. In Untersuchungen wurde die Antitumoraktivität von Genasense (G3139) mit einem etablierten CpG-Oligonukleotid (CpG ODN 1826) in verschiedenen Tumormodellen der Maus verglichen. Es zeigte sich, dass selbst in Xenograft-Modellen, bei denen humanes Tumorgewebe in immunsupprimierte Mäuse transplantiert wird, die Antitumoraktivität von ODN 1826 der Wirkung von Genasense (G3139) überlegen war. Ferner wurde für G3139 eine immunstimulatorische Aktivität in Zellkulturexperimenten nachgewiesen. Gekeler folgerte, dass die therapeutische Aktivität von G3139 auf die immunstimulatorische Komponente zurückzuführen sein könnte. Das CpG ODN 1826 ist dem G3139 in dieser Hinsicht jedoch überlegen. Damit könnte das therapeutische Potenzial von CpG-Oligonukleotiden mit optimaler Sequenz auch beim Menschen höher sein als das von G3139.
Bcl-2 ist nicht das einzige Zielprotein aus dem Apoptose-Signalweg, für das Antisense-Oligonukleotide entwickelt werden. Von einem weiteren Zielprotein aus dem Apoptose-Signalweg,
Clusterin, berichtete Burkhard Jansen, Vancouver, Kanada. Er zeigte, dass Clusterin beim Melanom für die Hochregulation von Bcl-xL, einem anti-apoptotischen Protein aus der Bcl-2-Familie,
verantwortlich ist. Jansen stellte das Antisense-Oligonukleotid OGX-011 vor, ein Antisense-Oligonukleotid der zweiten Generation, das aufgrund der chemischen Struktur eine hohe Nukleasestabilität erreicht. Immunstimulatorische Effekte wurden bisher bei diesen Oligonukleotiden nicht nachgewiesen. Für OGX-011 konnte eine gegen Tumoren gerichtete Aktivität mehrfach nachgewiesen werden. OGX-011 wird derzeit in einer klinischen Studie bei Patienten mit Prostatakarzinom getestet.
Neben Proteinen aus dem Apoptose-Signalweg gibt es weitere interessante Zielproteine für Antisense-Oligonukleotide aus dem Bereich der Hämatologie und Onkologie. Transforming growth factor beta-2 (TGF-beta-2) wird von verschiedenen Tumoren produziert und besitzt eine immunsuppressive Wirkung. Die Expression von TGF-beta-2 korreliert mit einer schlechten Prognose bei Glioblastom-Patienten. Eine Hemmung der Expression von TGF-beta-2 wird derzeit intensiv angestrebt. Peter Hau, Regensburg, referierte über den Stand der klinischen Entwicklung des Antisense-Oligonukleotids AP 12009, das gegen TGF-beta-2 gerichtet ist. In einer klinischen Studie wurde AP 12009 über einen implantierten Katheter intratumoral in den Hirntumor verabreicht. Bislang wurden 20 Patienten behandelt. Hau konnte über erste Erfolge mit diesem Antisense-Oligonukleotid berichten. Vor einer endgültigen Beurteilung müssen die ermutigenden Befunde jedoch in einer Doppelblindstudie erhärtet werden.
Obwohl der Bereich der Hämatologie und Onkologie derzeit im Fokus der Bemühungen steht, ist der Ansatz der Antisense-Strategie prinzipiell nicht auf dieses Gebiet beschränkt. Bei jeder Erkrankung, bei der die Überexpression eines bestimmten Proteins eine zentrale Rolle spielt, könnte die Antisense-Technologie eingesetzt werden. So kommt es bei Patienten mit Myasthenia gravis zu einer Akkumulation einer Spleißvariante (Spleißen ist ein enzymatischer Prozess, bei dem in der Zelle aus einem RNA-Molekül verschiedene Messenger-RNA-Moleküle hergestellt werden können) der Acetylcholinesterase. Hermona Soreq, Jerusalem, stellte die Entwicklung eines Antisense-Oligonukleotids (EN101) vor, mit dem das pathologische Spleißmuster korrigiert werden kann. Mit diesem Antisense-Oligonukleotid wurde eine Überproduktion der Spleißvariante der Acetylcholinesterase (AChE-R) in der Maus und in der Ratte (jeweils mit an die Spezies angepasster Sequenz) in vivo korrigiert. Soreq berichtete von einer offenen Pilotstudie, in der ein humanes Homolog des Antisense-Oligonukleotids (hEN101) zu einer Besserung der klinischen Symptomatik bei Patienten mit Myasthenia gravis führte.
Immunstimulatorische
CpG-Oligonukleotide
Das Verständnis der immunologischen Mechanismen, die durch CpG-Oligonukleotide induziert werden, haben zu einer Reihe von neuen Entwicklungen geführt. Diese beziehen sich auf eine Optimierung der Technologie selbst und auf einen verbesserten Einsatz für die Immuntherapie von Tumoren in Tiermodellen und in ersten klinischen Studien. Über die Entwicklung von drei verschiedenen Klassen von CpG-Oligonukleotiden: CpG-A, CpG-B, und CpG-C, berichtete Gunther Hartmann, München. Die Unterschiede bestehen in der molekularen Struktur und der funktionellen Aktivität. Beim Menschen wird TLR9 (Rezeptor für CpG-Motive) ausschließlich in B-Zellen und plasmazytoiden dendritischen Zellen (auch IFN-a/b produzierende Zelle genannt) exprimiert. CpG-A induziert große Mengen von IFN-a und IFN-b wie bei einer Virusinfektion. CpG-B aktiviert präferenziell B-Zellen. CpG-C verbindet beide Aktivitäten von CpG-A und CpG-B (6).
Im Gegensatz zu anderen Therapieformen wie der Chemotherapie gibt es hinsichtlich des optimalen Einsatzes von immunstimulatorischen Oligonukleotiden in der Tumortherapie wenig Information. Einen Beitrag zur Klärung dieser Frage stellte Stefan Endres, München, mit tierexperimentellen Befunden zur Kombination von dendritischen Zellen und immunstimulatorischen CpG-Oligonukleotiden in der Immuntherapie des Kolonkarzinoms vor. Dabei wurden Mäuse, bei denen sich bereits subkutan ein Tumor aus implantierten Kolonkarzinomzellen gebildet hatte, mit dendritischen Zellen und abgetöteten Tumorzellen als Antigenquelle vakziniert. Damit lässt sich eine Tumorzell-spezifische T-Zellantwort induzieren, die zur Rückbildung von kleinen Tumoren führt (therapeutische Vakzine). Wird zusätzlich zur tumorfernen Gabe von dendritischen Zellen tumornah, das heißt in den Tumorrand, CpG-Oligonukleotid injiziert, so lässt sich ein deutlicher Synergismus erzielen mit der Rückbildung von auch großen Tumoren bis zu einem Durchmesser von 1 cm (7).
Vor der Testung einer Kombination von CpG-Oligonukleotiden und dendritischen Zellen müssen jedoch erst die einzelnen Komponenten klinisch untersucht werden. Christian Schetter, Langenfeld, stellte eine klinische Studie zur Monotherapie mit dem CpG-Oligonukleotid CpG 7909 vor. In der Untersuchung wurde eine Antitumoraktivität bei Tumorpatienten im fortgeschrittenen Stadium (Melanom, Non-Hodgkin-Lymphom) dokumentiert. In einer Reihe von Phase-2-Studien wird CpG 7909 nun in Kombination mit den monoklonalen Antikörpern Rituximab und Herceptin eingesetzt. In einer weiteren Studie wird CpG 7909 als Vakzineadjuvans mit Tumorantigen kombiniert. Die niedrige Fallzahl erlaubt jedoch noch keine endgültige Beurteilung.
RNA-Interferenz
In ähnlicher Weise wie bei Antisense-Oligonukleotiden ist auch die Technik der RNA-Interferenz in der Zellkultur gut etabliert. Bislang war unklar, ob die spezifische Hemmung von Zielproteinen in vitro auch auf die In-vivo-Situation übertragen werden kann und damit möglicherweise auch klinisch verwendet werden könnte. Hierzu machte Stefan Limmer, Kulmbach die Beobachtung, dass mit einer systemischen Verabreichung dieser kurzkettigen Doppelstrang-RNA-Moleküle, ohne weitere Mechanismen der Aufnahmesteigerung, eine gezielte Verminderung der Expression eines bestimmten Zielgens in verschiedenen Geweben erreicht wird.
Eine mögliche klinische Anwendung von siRNA ist die gezielte Hemmung von Fusionsproteinen bei Leukämien. Arndt Borkhardt, Gießen, berichtete über den Einsatz von siRNA zur selektiven Hemmung der Expression von Fusionsgenen bei Leukämien und Lymphomen (zum Beispiel dem Fusionsgen BCR-ABL bei der chronischen myeloischen Leukämie). Die Sequenzspezifität der Wirkung von siRNA wurde über den Einbau von Punktmutationen im Zielgen nachgewiesen.
Anders als bei den Experimenten von Limmer und Borkhardt benutzte Hiroshi Takaku, Ciba, Japan, langkettige Doppelstrang-RNA-Moleküle zur Hemmung der Expression verschiedener HIV-Gene in Zelllinien. Dabei konnte eine Inhibition der Genexpression von mehr als 95 Prozent erreicht werden. Ein sequenzunspezifischer Anteil bei der Hemmung der Genexpression wurde jedoch nicht ausgeschlossen. Ein solcher Effekt ist bei der verwendeten Länge der Doppelstrang-RNA-Moleküle möglich. Außerdem scheint eine Übertragung auf die In-vivo-Situation problematisch, weil davon ausgegangen werden kann, dass die langkettigen RNA-Moleküle wesentlich schlechter in Zellen aufgenommen werden. In vitro werden für die Steigerung der Aufnahme in der Regel kationische Lipide eingesetzt, die mit den Nukleinsäuren Komplexe eingehen und so von der Zelle vermehrt aufgenommen werden. Es wird daher bereits lange nach einer Methode gesucht, wie kurzkettige Nukleinsäuren leichter in die Zelle transferiert werden können.
Hierzu machte Georg Sczakiel, Lübeck, eine wichtige Entdeckung. So gelang die Identifizierung von bestimmten Nukleinsäuresequenzen, für die offenbar ein spezieller zellulärer Aufnahmemechanismus existiert. Solche Sequenzen können nun an Antisense-Oligonukleotide oder an siRNA angehängt werden, um deren Aufnahme in die Zelle zu steigern. Die für diesen Zweck in Lübeck entwickelte molekularbiologische Screeningtechnik wird möglicherweise zur Identifizierung weiterer Nukleinsäuresequenzen führen, mit der die Antisense- und die siRNA-Technologie weiter verbessert werden könnte.
Beurteilung und weitere Entwicklung
Die Synthese kurzkettiger Nukleinsäuremoleküle ist heute in großem Maßstab möglich. Damit ergibt sich die Möglichkeit der Entwicklung von auf Oligonukleotiden basierenden Therapeutika, einer neuen Substanzklasse von Arzneimitteln. Zudem können Antisense-Oligonukleotide und siRNA als Werkzeuge eingesetzt werden, um Zielgene für neue Medikamente zu identifizieren.
Zwischen CpG-Oligonukleotiden einerseits und den beiden Antisense-Strategien (Oligonukleotide und siRNA) sind grundsätzliche Unterschiede zu beachten, betonte Fritz Eckstein, Göttingen. Während die beiden Antisense-Strategien auf der Ebene der mRNA wirken, kommt es bei CpG-Oligonukleotiden zu einer Erkennung durch einen Proteinrezeptor. Ferner spielt bei CpG-Oligonukleotiden die Aufnahme in die Zelle eine untergeordnete Rolle, wohingegen bei Antisense-Oligonukleotiden als auch bei siRNA eine genügend hohe Wirkstoffkonzentration am Wirkort, dem Zellkern, erforderlich ist. Obwohl erste Daten darauf hindeuten, dass siRNA auch ohne Aufnahmeverstärkung in vivo aktiv ist, bleibt die Bestätigung dieser Befunde abzuwarten. Wie bei Antisense-Oligonukleotiden, ist auch bei siRNA eine unspezifische Wirkkomponente sorgfältig auszuschließen.
Grundsätzlich sind bei der Entwicklung von kurzkettigen Nukleinsäuren (therapeutische Oligonukleotide) die regulatorischen Aspekte zu beachten, die für die Entwicklung von anderen Arzneimitteln gelten. Regulatorische Hürden über diesen Rahmen hinaus, wie etwa bei der Gentherapie, sind bei therapeutischen Oligonukleotiden deshalb nicht zu erwarten, weil hier nicht in das Genom selbst, sondern lediglich in die Genexpression eingegriffen wird, erläuterte Klaus Cichutek, Langen, die Auffassung des Paul-Ehrlich-Instituts.

Weiterführende Literatur bei den Verfassern

Anschrift für die Verfasser:
Priv.-Doz. Dr. med. Gunther Hartmann
Prof. Dr. med. Stefan Endres
Abteilung für Klinische Pharmakologie
Medizinische Klinik Innenstadt
Klinikum der Universität München
Ziemssenstraße 1
80336 München

Zur Förderung dieser wissenschaftlichen Thematik wurde im Dezember 2002 die internationale Gesellschaft „Oligonucleotide Therapeutics Society“ mit Sitz in Boston, Massachusetts, USA, gegründet. Gründungsmitglieder aus Deutschland sind Fritz Eckstein, Max-Planck Institut in Göttingen; Gunther Hartmann, Universitätsklinikum München; Georg Sczakiel, Universitätsklinikum Lübeck; und Tom Tuschl, Max-Planck Institut in Göttingen, derzeit Rockefeller Universität in New York.

Die Arbeiten der Abteilung werden unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG HA 2780/4-1, DFG EN 169/7-1), durch das BMBF und Coley Pharmaceutical GmbH, Langenfeld (03-12235-6, GH), durch die Deutsche Krebshilfe (10-2074, GH), die Human Science Foundation (GH) in Japan, die Friedrich-Baur-Stiftung in München und das Programm für Forschung und Lehre der Universität München. Die Autoren danken der Paul-Martini-Stiftung (Leiter des wissenschaftlichen Beirats: Prof. Dr. Dr. h. c. Peter C. Scriba) für die Möglichkeit zur Ausrichtung der Tagung.

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