Für Eltern gibt es kaum etwas Schlimmeres, als zu erfahren, dass ihr Kind an Leukämie erkrankt ist. Heilung bringt oft nur eine Stammzelltransplantation. Doch selbst wenn ein passender Spender gefunden wird, ist die Gefahr für das Leben der kleinen Patientin oder des kleinen Patienten noch nicht gebannt – sie kommt nun nur aus einer anderen Richtung. Denn der Transplantierte ist anfangs Virusinfektionen schutzlos ausgeliefert. „Es dauert, bis sich das neue Immunsystem im Körper des Empfängers vollständig aufgebaut hat. Gerade die für die Virusabwehr zuständigen T-Zellen sind erst nach drei bis sechs Monaten einsatzbereit“, sagt Dr. Theresa Käuferle, Geschäftsführerin des Zentrums für Zell- & Gentherapie Freiburg – CGF des Universitätsklinikums Freiburg und Wissenschaftlerin im Forschungsbereich ‚Infektionen im immungeschwächten Wirt‘ des DZIF.“

Es vergehen also lange Monate, in denen sich mehr als die Hälfte der Transplantierten mit einem oder sogar mehreren Virenspezies infiziert. Am häufigsten sind Adenoviren, das Epstein-Barr-Virus und das humane Cytomegalievirus. Allein diese drei Virenarten sind für elf Prozent aller Todesfälle nach Stammzelltransplantationen verantwortlich. Zwar gibt es antivirale Medikamente dagegen, die – bei Kindern im Off-Label-Use – eingesetzt werden, doch sie können schwere Nebenwirkungen haben und wirken nicht bei allen Patientinnen und Patienten.

Um dagegen gewappnet zu sein, wird im Idealfall eine Spenderin oder ein Spender ausgewählt, dessen Immunsystem bereits Kontakt mit diesen Viren hatte. Denn diese Personen haben bereits eine spezifische Population von Immunzellen – die sogenannten T-Zellen – entwickelt, die sich bei erneutem Viruskontakt vermehren und die Erreger bekämpfen. Um diese virusspezifischen T-Zellen zu erkennen und anzureichern, muss der Kontakt mit den Viren jedoch zuvor künstlich im Labor erzeugt werden. „Dafür isolieren wir die T-Zellen aus dem Blut des Spenders, setzen sie einem Virusprotein aus, wodurch die virusspezifischen Zellen aktiviert werden, und fischen diese aktivierten Zellen dann heraus“, erklärt Theresa Käuferle. Aktivierte T-Zellen sind daran zu erkennen, dass sie einen bestimmten Botenstoff, ein Zytokin, ausschütten. Dieser lockt im Körper weitere T-Zellen an. Die Forschenden markieren die Zellen nun mit Eisen-Nanopartikeln und fischen sie dann mit einem Magneten heraus. Anschließend werden die aktivierten T-Zellen der Patientin oder dem Patienten per Infusion verabreicht. Die darin enthaltene winzige Menge an Eisen – weit weniger als in typischen Eisenpräparaten – wird vom Körper des Empfängers problemlos verarbeitet. Diese Therapie, adoptiver T-Zell-Transfer (ACT) genannt, darf bisher nur im Notfall eingesetzt werden, also wenn antivirale Medikamente beim Patienten nicht angeschlagen haben. Zudem steht sie nur in wenigen großen Kliniken zur Verfügung. Mit der von der Europäischen Union finanzierten Phase-III-Studie TRACE, an der 35 Krankenhäuser in Deutschland, Italien, Frankreich, den Niederlanden und Belgien beteiligt sind, wollen die Forschenden die hohe Effektivität von ACT nun endlich placebokontrolliert nachweisen, um die offizielle Zulassung zu erhalten.

In die Studie durften nur Patientinnen und Patienten aufgenommen werden, bei denen eine medikamentöse antivirale Therapie erfolglos geblieben war. Das schmerzt Käuferle. „Denn wir wissen ja bereits, wie gut die T-Zellen wirken, und leider erhält ein Teil der infizierten Patientinnen und Patienten nur ein Placebo.“ Grundsätzlich sei das Virus immer einen Schritt voraus und man renne ihm mit der Therapie hinterher. Viel sinnvoller wäre es, jedem Stammzelltransplantierten prophylaktisch virusspezifische T-Zellen zu geben, damit er oder sie für eventuelle Infektionen gut gerüstet ist.

Da gibt es allerdings zwei Probleme: Erstens hatte nicht jede Spenderin oder jeder Spender bereits Kontakt mit den Viren und wäre somit viruspositiv. Das ist jedoch die Voraussetzung dafür, dass sich ihre oder seine virusspezifischen T-Zellen anreichern lassen. Zweitens ist es, genau wie bei der Stammzellspende, beim adoptiven T-Zell-Transfer extrem wichtig, dass die Gewebemerkmale von Spender und Empfänger möglichst ähnlich sind. Wenn der Spender virusnegativ ist, können also nicht einfach aktivierte T-Zellen eines beliebigen anderen (viruspositiven) Spenders „adoptiert“ werden. Dies könnte nämlich eine Abstoßungsreaktion des T-Zell-Produkts im Patienten nach der Infusion zur Folge haben.

Mithilfe der Genschere CRISPR-Cas9 ist es nun möglich, die T-Zellen eines Spenders von virusnegativ auf viruspositiv umzuschalten. T-Zellen funktionieren über ein spezielles Molekül, den sogenannten „T-Zell-Rezeptor“ (TCR). Dieser ist für die Erkennung von Viren und die Aktivierung von T-Zellen verantwortlich, um die Infektion zu beseitigen. CRISPR-Cas9 ermöglicht es, den natürlichen TCR einer T-Zelle durch einen gewünschten transgenen, virusspezifischen TCR mit beispielloser Präzision zu ersetzen. Dadurch können beliebige virusspezifische T-Zellen generiert werden. An diesem Verfahren arbeitet Dr. Elvira D'Ippolito, Gruppenleiterin im Institut für Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene der Technischen Universität München (TUM), gemeinsam mit ihrer langjährigen Forschungspartnerin Dr. Theresa Käuferle sowie mit Kolleginnen und Kollegen des Universitätsklinikums Würzburg und von „TUM-Cells“, dem interdisziplinären Zentrum für zelluläre Therapien der TUM.

Das Verfahren heißt orthotoper T-Zell-Rezeptor-Austausch, kurz OTR. „Dabei werden gleich mehrere gentechnische Werkzeuge in die T-Zellen des Spenders eingebracht. Dazu gehören 1) das Cas9-Protein, 2) eine kurze Nukleotidsequenz, die das Cas9-Protein zu den für die Manipulation vorgesehenen Stellen im Genom leitet, und 3) eine DNA-Sequenz, die den virusspezifischen TCR kodiert, den wir in die Spenderzellen einbringen möchten.

Damit können wir den natürlichen TCR präzise eliminieren und den neuen therapeutischen TCR an einer bestimmten Stelle einfügen, um sicherzustellen, dass der transgene Rezeptor ordnungsgemäß und sicher funktioniert“, erklärt Elvira D’Ippolito.

Auf molekularer Ebene kommt es zu einem OTR durch Prozesse, die als „Knock-out/Knock-in“ bezeichnet werden und wie folgt funktionieren: Das CRISPR-Cas9-Enzym wird mit kurzen Nukleinsäuresequenzen bestückt, die es präzise zu den Genes leiten, die den natürlichen TCR exprimieren. An dieser Stelle bewirkt das Enzym einen Bruch im DNA-Doppelstrang. Die Zelle repariert diesen sofort und auf zufällige Weise, was zum Funktionsverlust des Gens führt (Knock-out). Im zweiten Schritt wird die DNA-Matrize, die den Bauplan des therapeutischen Rezeptors enthält, in das nun funktionslose TCR-Gen eingefügt (Knock-in). Die T-Zelle kann jetzt den neuen virusspezifischen TCR exprimieren und den Körper vor Infektionen schützen. „Aktuell dauert der Prozess noch fünf Tage und wird von zwei separaten Geräten automatisch ausgeführt“, sagt die Forscherin. „Wir arbeiten daran, dass es bald schneller und vollautomatisch geht.“

Da jede T-Zelle von Natur aus nur einen virusspezifischen Rezeptor ausbilden kann, muss für jede Virusspezies eine eigene umprogrammierte T-Zelle hergestellt werden. Diese können jedoch am Ende gemischt und der Patientin oder dem Patienten per Infusion als T-Zell-Cocktail verabreicht werden, der Schutz gegen verschiedene Viren zugleich bietet.

Der Vorteil von OTR besteht darin, dass es nun völlig egal ist, ob ein Stammzellspender bezüglich eines Virus „positiv“ oder „negativ“ getestet wurde, da sich seine T-Zellen im Labor entsprechend anpassen lassen. „Damit haben wir die Möglichkeit, von der reaktiven T-Zell-Therapie zur Virusprophylaxe überzugehen“, sagt D’Ippolito. „Auf diese Weise würden nicht nur kritische Infektionen bei immungeschwächten Patientinnen und Patienten im Vorfeld vermieden, sondern auch das Gesundheitssystem entlastet.“ Denn Krankenhausaufenthalte wären dadurch kürzer und der Einsatz teurer Medikamente sowie intensivmedizinischer Behandlungen würde reduziert. Aktuell bereiten die Forschenden eine klinische Phase-I-Studie vor, die 2027 starten soll, um die Sicherheit und Wirksamkeit dieser gentechnisch umprogrammierten virusspezifischen T-Zellen zu testen.