Asthma ist eine chronische Atemwegserkrankung, an der weltweit über 300 Millionen Menschen leiden. Bei den schwersten Formen der Krankheit ist oft eine tägliche medikamentöse Behandlung erforderlich, um die lähmenden Symptome wie Keuchen, Husten und Kurzatmigkeit in den Griff zu bekommen. Zwar haben Biologika, die auf bestimmte Entzündungswege abzielen, die Behandlungsmöglichkeiten in den letzten Jahren verbessert, doch können sie nur die Symptome lindern und sind nicht heilend. Die Patienten müssen die Therapie lebenslang fortsetzen, um die Remission aufrechtzuerhalten - eine sowohl medizinisch als auch finanziell unhaltbare Lösung.

Forscher der Tsinghua-Universität in Peking haben möglicherweise einen alternativen Ansatz gefunden, der schweres Asthma mit nur einer einzigen Behandlung in langfristige Remission versetzen könnte: die Entwicklung langlebiger T-Zellen mit der einzigartigen Fähigkeit, mehrere Auslöser der Erkrankung gleichzeitig anzugehen. In einer in Nature Immunology veröffentlichten Studie beschreibt das Team, wie es durch die genetische Veränderung von Immunzellen, so genannten chimären Antigenrezeptor (CAR)-T-Zellen, in der Lage war, Eosinophile - entzündliche Zellen, die mit Asthma in Verbindung gebracht werden - zu eliminieren und gleichzeitig die Wirkung von Interleukin-4 (IL-4) und IL-13 zu blockieren, zwei Zytokinen, die die Entzündung und den Umbau der Atemwege fördern. Wenn diese multifunktionalen "TIF"-Zellen in Asthmamodelle von Mäusen infundiert wurden, linderten sie die Symptome dauerhaft und über längere Zeiträume, ohne dass es zu einem Rückfall kam.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine weit verbreitete chronische Krankheit durch manipulierte T-Zellen geheilt werden kann", sagt Erstautor Min Peng. "Im Vergleich zu Standardtherapien, die eine lebenslange Verabreichung erfordern, könnte das Erreichen einer Remission von Asthma oder anderen Erkrankungen mit einer einzigen Verabreichung die Behandlung chronischer Krankheiten revolutionieren.

Zwei Haupthindernisse für die CAR-T-Therapie bei Nicht-Krebserkrankungen

Während CAR-T-Zelltherapien bei der Behandlung bestimmter Blutkrebsarten bemerkenswerte Erfolge erzielt haben, stellt die Anwendung dieses Ansatzes auf nicht bösartige Erkrankungen eine besondere Herausforderung dar. Erstens müssen bei chronischen Erkrankungen - anders als bei Krebserkrankungen, die durch gezielte Behandlung tumorspezifischer Antigene beseitigt werden können - die physiologischen Abläufe in gesunden Geweben und Organen langfristig manipuliert werden. Zweitens sind die derzeitigen CAR-T-Therapien in hohem Maße auf eine intensive Vorkonditionierung mit Chemotherapie angewiesen, um den Körper "vorzubereiten" und die Aktivität der T-Zellen zu erhöhen - eine Strategie, die für nicht lebensbedrohliche Krankheiten nicht akzeptabel ist. Ohne die Tumorbelastung oder toxische Vorbehandlungen können sich die CAR-T-Zellen nicht ausreichend ausbreiten und bleiben nicht lange genug bestehen, um einen dauerhaften Nutzen zu bieten.

Um diese Hindernisse aus dem Weg zu räumen, hat das Team von Peng T-Zellen so verändert, dass sie sich auf Eosinophile konzentrieren, die bei schwerem Asthma vom "Typ 2-Hoch" eine Rolle spielen. Dazu wurden sie mit einem chimären Antigenrezeptor (CAR) ausgestattet, der die α-Kette des Interleukin-5-Rezeptors (IL-5Rα) erkennt, die auf diesen Entzündungszellen exprimiert wird. Die ersten Versionen der "IL-5 CAR T-Zellen" oder "5T-Zellen" expandierten jedoch nicht und eliminierten die Eosinophilen nicht, wenn sie ohne Vorkonditionierung in unveränderte Asthmamausmodelle infundiert wurden. Dies entsprach der Herausforderung, CAR-T-Zellen ohne die künstliche Verstärkung durch eine Chemotherapie dazu zu bringen, in einem nicht krebsbedingten Kontext effektiv zu funktionieren.

Unsterblichkeitsähnliche Eigenschaften von CAR-T-Zellen durch Genmanipulation

Um diese Einschränkung zu überwinden, ließen sich die Forscher von ihrer früheren Arbeit inspirieren, bei der sie durch selektives Gene Editing "unsterblichkeitsähnliche" Eigenschaften in CAR-T-Zellen erzeugten. Sie nahmen zwei Gene ins Visier, BCOR und ZC3H12A, und fanden heraus, dass ein durch CRISPR/Cas9 erzeugter doppelter Knockout die Fähigkeit verleiht, die Abhängigkeit von einer Chemotherapie vor der Konditionierung zu umgehen und sich selbst unter lymphozytenarmen Bedingungen robust zu vermehren.

Die Einführung der gleichen BCOR/ZC3H12A-Mutationen in ihre IL-5 CAR T-Zellen, die als "5TIF-Zellen" bezeichnet werden, ermöglichte nun ein starkes Populationswachstum nach der Infusion. Expressionsanalysen zeigten, dass 5TIF-Zellen hybride Merkmale von stammähnlichen Gedächtnis-T-Zellen und erschöpften T-Zellen aufwiesen - Merkmale, die vermutlich für ihre Langlebigkeit verantwortlich sind. In Mausmodellen eliminierten 5TIF-Zellen über ein Jahr lang effektiv Eosinophile, ohne Anzeichen eines Rückgangs.

Wichtig ist, dass die Beseitigung der Eosinophilen durch 5TIF-Zellen nur eine teilweise Linderung der Asthmasymptome bewirkte, da die Erkrankung auch mit einer dysregulierten Typ-2-Immunantwort einhergeht, die durch IL-4 und IL-13 gesteuert wird. Um dieses Problem zu lösen, hat das Team 5TIF-Zellen so verändert, dass sie ein IL-4-Mutein absondern, eine Proteinvariante, die IL-4-Rezeptoren konkurrierend bindet, aber keine nachgeschalteten Signale auslöst. Diese neuen "5TIF4-Zellen" zielten sowohl auf den Abbau von Eosinophilen ab als auch auf die aktive Unterdrückung von IL-4/IL-13-vermittelten Entzündungen durch das sekretierte Mutein.

Testen von 5TIF4-Zellen in verschiedenen Krankheitsmodellen

In mehreren Mausmodellen für Asthma, die wichtige klinische Szenarien nachahmen, linderte eine einmalige Infusion von 5TIF4-Zellen die Symptome weitaus stärker als 5TIF-Zellen allein. Bei akuten, gedächtnisbedingten und chronischen Krankheitsvarianten, die durch Ovalbumin (OVA) oder Hausstaubmilben (HDM) eine Eosinophilie und einen Umbau der Atemwege hervorrufen, konnte 5TIF4 gegenüber 5TIF die Lungenentzündung, Fibrose, Eosinophile und entzündliche Zytokine reduzieren und gleichzeitig die Produktion von IgE/IgG1-Antikörpern über längere Zeiträume hemmen, selbst nach einem erneuten Aufflammen der Krankheit.

Überraschenderweise übertraf 5TIF4 die auf IL-4-Mutein-Protein basierende Therapie, die derzeit in klinischen Studien für schwer kontrollierbares Asthma erprobt wird, was ihre einzigartige Fähigkeit unterstreicht, eine dauerhafte lokale Proteinexpression durch im Gewebe ansässige T-Zellen zu erreichen. Darüber hinaus unterdrückte 5TIF4 in einem Interleukin-33-vermittelten Modell unabhängig von der adaptiven Immunität die Eosinophilie und die Symptome, was die Vielseitigkeit über antigenspezifische adaptive Reaktionen hinaus zeigt.

Schließlich wurden durch die Verabreichung von 5TIF4 an ein Modell für etabliertes Asthma - und nicht zur Vorbeugung - Merkmale wie die Hyperreaktivität der Atemwege in gleichem Maße gelindert wie bei einer früheren Erkrankung, was ihr therapeutisches Potenzial auch nach Ausbruch der Krankheit bestätigt. Wichtig ist, dass in keiner der Studien eine Toxizität oder Autoimmunität beobachtet wurde, im Gegensatz zu herkömmlichen, auf Chemotherapie basierenden CAR-T-Therapien. Zusammengenommen positionieren diese Ergebnisse CAR-T-Zellen, die auf mehrere Signalwege gleichzeitig abzielen, als praktikable Heilmethode für schweres Asthma.

Humanisierung des Ansatzes

Um die Übertragbarkeit des Ansatzes zu überprüfen, wandten die Forscher ihre Gen-Editing-Strategie an, um die gleiche 5TIF4-Funktionalität in menschlichen T-Zellen zu erzeugen. Durch die Integration der IL-5 CAR- und IL-4-Mutein-Kassette sowie des BCOR/ZC3H12A-Knockouts wurden menschliche "h5TIF4"-Zellen von gesunden Spendern kultiviert, die in immundefizienten Mäusen zu langfristiger Persistenz, Eosinophilendepletion und Muteinsekretion fähig sind und damit die Nagetierversionen widerspiegeln. Die Erstellung von Einzelzell-Transkriptionsprofilen zeigte, dass h5TIF4-Populationen die hybride Gedächtniserschöpfungssignatur beibehalten, die für ein langes Überleben förderlich ist.

Da dieser Konzeptnachweis mit menschlichen Zellen erbracht wurde, glaubt Peng, dass ihr Ansatz eine lebenslange Remission von schwerem Asthma und anderen chronischen eosinophilen Erkrankungen durch eine einzige Infusion ermöglichen könnte. Im Vergleich zu etablierten Biologika, die Injektionsschemata von mehr als einem Jahrzehnt erfordern, würde eine Remission durch eine einmalige Zelltherapie die Lebensqualität der Patienten verbessern. Auch wenn weitere Untersuchungen und Feinabstimmungen erforderlich sind, stellt diese Studie einen ermutigenden Grundsatzbeweis dafür dar, dass künstlich hergestellte T-Zellen Heilung für Krankheiten bieten können, die derzeit nur durch lebenslange Medikamentencocktails behandelt werden können. Die Forscher planen, diese Strategie bis zur klinischen Erprobung weiterzuentwickeln, mit dem Ziel, Patienten mit Asthma und verwandten Erkrankungen von der Last der täglichen Krankheitsbewältigung zu befreien.