Hefezellen als effiziente Aktivatoren des Immunsystems

Gentechnisch veränderte Hefen als neuartige Impfstoffe

  • Abb. 1: Aufnahme (Phagozytose) von Hefezellen durch Makrophagen, einem wichtigen Immunzelltyp des Menschen.Abb. 1: Aufnahme (Phagozytose) von Hefezellen durch Makrophagen, einem wichtigen Immunzelltyp des Menschen.
  • Abb. 1: Aufnahme (Phagozytose) von Hefezellen durch Makrophagen, einem wichtigen Immunzelltyp des Menschen.
  • Zellmembran von hefen. Einige Membranproteine wurden mit Fluoreszenzmarkern (RFP, GFP) versehen. Bild: Masur
  • Abb. 2: Prinzip des Einbringens von Proteinen in Immunzellen durch rekombinante Hefen. Nach der Aufnahme (Phagozytose) durch eine Immunzelle wird die Hefezelle in ein Phagosom eingeschlossen, das schließlich mit einem Lysosom verschmilzt. Im entstehenden Phagolysosom wird die Hefezelle verdaut, die enthaltenen Proteine werden freigesetzt und proteasomal zu Peptiden abgebaut. Letztere werden im Kontext mit Präsentationsmolekülen auf der Oberfläche der Immunzelle exponiert und aktivieren auf diese Weise spezifische T-Lymphozyten.
  • Dr. Frank Breinig, Wiss. Mitarbeiter am Lehrstuhl für Molekularund Zellbiologie, Zentrum für Humanund Molekularbiologie (ZHMB), Universität des Saarlandes
  • Prof. Dr. Manfred J. Schmitt, Leiter des Lehrstuhls für Molekular- und Zellbiologie, Zentrum für Humanund Molekularbiologie (ZHMB), Universität des Saarlandes

Impfstoffe zählen zu den wichtigsten Errungenschaften der modernen Medizin, um Menschen nachhaltig vor Krankheiten und Seuchen zu schützen. Die Entwicklung effektiver, kostengünstiger und sicherer Impfstoffe stellt die medizinische Forschung jedoch vor große Herausforderungen, da den gängigen Impfstoffen bei Infektionen mit Erregern wie HIV, dem Hepatitis C-Virus oder bei der Behandlung von Tumoren Grenzen gesetzt sind.

Daher sind Forscher weltweit bemüht, neue Impfmethoden zu entwickeln. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, gentechnisch veränderte Hefezellen zur Induktion von Immunantworten einzusetzen. Die Vakzinierung stellt eine der effektivsten und vielseitigsten Methoden der Medizin im Kampf gegen Infektionskrankheiten dar. Die meisten Impfstoffe werden als prophylaktische Maßnahme verwendet, um das Immunsystem mit dem Ziel zu stimulieren, bei einer anschließenden Exposition mit dem jeweiligen Erreger eine Infektion entweder zu verhindern oder zumindest die Symptome der dadurch verursachten Krankheit zu lindern.

Neben dem Schutz vor Infektionskrankheiten steht in den letzten Jahren die Entwicklung effizienter Impfstoffe zur Anwendung in der Immuntherapie im Vordergrund. Dies betrifft neben infektiösen Erregern wie HIV oder Hepatitis C (HCV) auch nichtübertragbare Krankheiten wie Krebs und Autoimmunerkrankungen.

Aktuelle Impfstofftypen

Fast alle der in heutiger Zeit eingesetzten Impfstoffe richten sich gegen bakterielle oder virale Infektionen und lassen sich in vier Gruppen einteilen: lebende attenuierte und inaktivierte Mikroorganismen sowie Untereinheiten- und DNA-Vakzinen. Impfstoffe aus intakten, inaktivierten Mikroorganismen sowie Untereinheitenimpfstoffe sind in der Anwendung relativ sicher.

Sie besitzen jedoch den Nachteil, dass sie zwar meist zur Bildung neutralisierender Antikörper führen, oft jedoch nicht in der Lage sind, zytotoxische T-Zellen zu induzieren, welche für die Bekämpfung intrazellulärer Infektionen durch Viren sowie für die einiger Bakterien, Parasiten und Krebszellen von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus ist die induzierte Immunantwort meist nur schwach, was die Notwendigkeit wiederholter Impfungen bedingt.

Der Einsatz von Lebendvakzinen (wie der Impfstoff gegen Masern, Mumps, Röteln und Windpocken) bietet auf den ersten Blick eine Reihe von Vorteilen: die induzierte Immunantwort ist effektiv, langlebig und breit gefächert, was mehrfache Nachimpfungen überflüssig macht; weiterhin sind Lebendimpfstoffe relativ kostengünstig herzustellen.

Ihr Einsatz birgt jedoch auch Gefahren: die Abschwächung der krankheitserzeugenden Eigenschaften eines Erregers (Attenuation) kann unter bestimmten Umständen reversibel sein.

Darüber hinaus gibt es Pathogene wie HIV oder HCV, von denen bislang keine attenuierten Formen beschrieben sind bzw. auf deren Basis eine Vakzinie rungs-Studie an Menschen nicht vertretbar wäre. Weiterhin steht dieser Ansatz bei der Bekämpfung von Tumorzellen nicht zur Verfügung, weshalb in den letzten Jahren das direkte Einbringen funktioneller Nukleinsäuren in Form von DNA oder Boten-RNA (mRNA) mit vielversprechenden Ergebnissen in den Fokus der Forschung rückte (DNA/mRNA-Vakzinierung).

Aufgrund der verwendeten Transportvehikel (wie nackte DNA/mRNA, Bakterien, Viren oder Nanopartikel) gestaltet es sich in vivo jedoch äußerst schwierig, eine gezielte Expression der Impfstoffe in denjenigen Zellen des Immunsystems hervorzurufen, die für die Induktion einer spezifischen Immunantwort verantwortlich sind („Targeting“).

Gentechnisch veränderte Hefezellen als Vehikel für Proteine…

In einem neuartigen Ansatz wurde in den letzten Jahren versucht, das Potential rekombinanter Hefezellen als Vehikel für immunogene Substanzen (Antigene) zu untersuchen, um Hefen als risikoarme Impfstoffe zu etablieren. Hefezellen vereinen dabei die Vorzüge eines Einzellers wie geringe Zellgröße, schnelles Wachstum und einfache Kultivierung mit denen eines eukaryontischen Organismus und dessen Fähigkeit zu komplexen posttranslationalen Modifikationen von Proteinen.

Ein hefebasierter Impfstoff könnte ohne Kühlkette gelagert und transportiert werden, was ihn auch für einen Einsatz in Entwicklungsländern prädestinieren würde. Die Grundlagen dafür lieferte eine Studie, wonach rekombinante Stämme der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae erfolgreich in Mäusen zur Induktion protektiver (schützender) Immunantworten gegen ein Tumorantigen eingesetzt wurden [1].

Untermauert wurde diese Beobachtung durch Studien, wonach Hefen zudem in der Lage sind, adjuvantische, d.h. die Immunantwort verstärkende, Effekte zu induzieren [2]. Ferner wurden rekombinante Hefen wiederholt in Mäusen zur Induktion protektiver Immunantworten gegen weitere Antigene eingesetzt, was das Potential der Hefe als neuartigen Vakzinevektor unterstreicht [3].

Inzwischen waren wir in der Lage, über die Gattung Saccharomyces hinaus die Eignung einer Reihe weiterer Hefegattungen als Antigenvehikel zu belegen und das Einbringen von Proteinen in Immunzellen zu verbessern [4-6]. Die Eignung der Hefezellen als effektive „Antigencarrier“ beruht unter anderem auf einer Aktivierung wichtiger und bis vor einigen Jahren unterschätzter Mechanismen des angeborenen Immunsystems, denen große Bedeutung für die Induktion einer effektiven Immunantwort zukommt.

Während das adaptive (erworbene) Immunsystem auf das entsprechende Antigen maßgeschneiderte Komponenten in Form von Antikörpern bzw. T-Zellen verwendet, finden sich beim angeborenen Immunsystem mustererkennende Rezeptoren, welche hochkonservierte Strukturen der Krankheitserreger wie z. B. Bestandteile der Hefezellwand erkennen. Als Folge dieser Erkennung wird die Expression verschiedener Gene induziert, deren Genprodukten eine Schlüsselrolle bei der Induktion von Immunantworten in Säugetieren zukommt.

…und funktionelle Nukleinsäuren

Wie wir kürzlich zeigen konnten, geht das Potential der Hefe allerdings noch weit über die „klassische“ Anwendung als Vehikel für Proteine hinaus: Hefen sind ebenso in der Lage, funktionelle Nukleinsäuren in Form von DNA und mRNA in murine und menschliche Immunzellen einzuschleusen [7]; somit stellen sie einen völlig neuartigen „Carrier“ mit erheblichem Potential für die Impfstoffentwicklung dar. Der große Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Hefen, im Unterschied zu „klassischen“ DNA/mRNA-Vehikeln (siehe oben), nur von phagozytierenden Zellen des Immunsystems aufgenommen werden können und damit ein direktes „Targeting“ ermöglichen.

Rekombinante Hefen besitzen somit in vielerlei Hinsicht ein enormes Potential im Hinblick auf die Entwicklung neuartiger Impfstoffe; dieses Potential gilt es in den nächsten Jahren zu erschließen.

Literatur

[1] Stubbs,A. et al.: Nat Med 7, 625–629 (2001)

[2] Barron M. et al.: J Clin Immunol 26, 251–264 (2006)

[3] Cereda V. et al.: Vaccine 29, 4992–4999 (2011)

[4] Breinig F. et al.: FEMS Immunol Med Microbiol 38, 231–239 (2003)

[5] Bazan S. et al.: Vaccine 29, 8165–8173 (2011)

[6] Walch B. et al.: Microbes Infect 13, 908–913 (2011)

[7] Walch B. et al.: Gene Ther, doi: 10.1038/ gt.2011.121 (2011)

Kontakt

Dr. Frank Breinig

Tel.: 0681/3022211

fb@microbiol.uni-sb.de

 

Prof. Dr. Manfred J. Schmitt

Tel.: 0681/3024730

Fax.: 0681/3024710

mjs@microbiol.uni-sb.de

Zentrum für Human- und Molekularbiologie (ZHMB)

Universität des Saarlandes

www.uni-saarland.de/fak8/schmitt

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