Antikörper-Wirkstoff-Konjugate: Modularität bietet viele Stellschrauben

Aufstieg der ADCs

Neben einer ganzen Reihe neuer Therapieformen bleibt die Chemotherapie eine der wichtigsten Säulen der Onkologie. Viele Substanzen werden seit Jahrzehnten eingesetzt, auch wenn ein niedriger therapeutischer Index und Nebenwirkungen immer wieder herausfordernd sind (1, 2). ADCs verbinden das Potenzial zytotoxischer Substanzen mit der Selektivität zielgerichteter Therapien, um die Probleme der konventionellen Chemotherapeutika zu mindern (1-3).

Zusätzlich zur enormen Zahl an Therapie-Antikörpern stehen für einzelne Krebserkrankungen nun auch ADCs zur zielgerichteten Behandlung zur Wahl, wie beim Mammakarzinom Trastuzumab-Deruxtecan (T-DXd) und Trastuzumab-Emtansin (T-DM1) neben dem  Antikörper Trastuzumab. Das ADC T-DM1 besteht aus den 3 Komponenten: (i) humanisierter Anti-HER2-Antikörper, der dem Original-Antikörper vergleichbare pharmakokinetische Eigenschaften zeigt, (ii) Mikrotubuli-Inhibitor Emtansin (DM1) oder Topoisomerase-I-Inhibitor Deruxtecan (DXd) und (iii) stabiler Linker (1-3). Nachdem sich gezeigt hatte, dass nicht alle Patient:innen längerfristig auf T-DM1 ansprechen, wurde nun auch ein Kombinationsansatz aus dem HER2-Hemmer Tucatinib und dem ADC Trastuzumab-Emtansin bei lokal fortgeschrittenem, inoperablem oder metastasiertem HER2-positiven Mammakarzinom getestet. Im Vergleich zu einer T-DM1-Monotherapie erreichte die Kombination mit Tucatinib eine weitere Verlängerung des progressionsfreien Überlebens (PFS) (4).

Die Variationsmöglichkeiten der ADCs sind theoretisch enorm. Aus Sicht der Zusammensetzung und technologischen Charakteristika lassen sich bisherige ADCs 3 Generationen zuordnen (1, 2).

1. Generation der ADCs

Eine erste Machbarkeitsstudie zu Konjugaten wurde bereits vor 40 Jahren (1983) als proof of principle zum VDS-anti-CEA-Konjugat veröffentlicht. Hierin wurden Sicherheit und Lokalisation eines gegen das Carcinoembryonale Antigen (CEA) gerichteten Antikörpers mit dem antimitotischen Wirkstoff Vindesin (VDS) als zytotoxische Ladung bei Patient:innen mit fortgeschrittenem metastasierten Kolorektal- bzw. Ovarial­karzinom untersucht (5). Nachfolgende Forschungen mit unterschiedlichen Zielantigenen, Toxinen und Linkern waren langwierig, bevor ein weiteres Konstrukt 1993 von sich hören machte. BR96-DOX bestand aus einem chimären Antikörper (BR96) gegen das Lewis-Y-Antigen (CD174/SGN-15), verknüpft mit dem bereits etablierten Chemotherapeutikum Doxo­rubicin; untersucht wurde es anfangs in Xenograft-Studien bei verschiedenen Karzinomen (6).

Viele weitere Untersuchungen führten schließlich im Jahr 2000 zur FDA-Zulassung des ersten ADC für den klinischen Einsatz: Der Anti-­Siglec-3-Antikörper verknüpft mit N-Acetyl-Gamma-Calicheamicin wurde als Gemtuzumab-Ozogamicin zur Therapie von akuter myeloischer Leukämie (AML) durch die FDA zugelassen (3). Nach vorübergehender Marktrücknahme und weiteren Datenerhebungen einschließlich einer Meta­analyse über 3.325 Patient:innen wurde das ADC schließlich im Jahr 2018 für Patient:innen mit neu diagnostizierter CD33+ AML auch in der EU zugelassen. Die Daten zeigten signifikante Vorteile im Rückfallrisiko und Gesamtüberleben im Vergleich zu konventionellen Therapien, wovon alle AML-Patient:innen mit CD33-Expression (etwa 95% aller AML-Patient:innen) profitieren könnten (3).

ADCs der 2. und 3. Generation

Mehrere ADCs der 2. Generation wurden Anfang der 2010er Jahre in der EU zugelassen; ihre gegenüber der vorherigen Generation verbesserten Eigenschaften sind auf eine optimierte chemische Struktur, verbesserte Herstellungsmodalitäten und bessere Kontrollierbarkeit (Chemistry, Manufacturing and Control (CMC)) zurückzuführen. Zu den bekannten Vertretern der 2. Generation von ADCs gehören neben T-DM1 auch Brentuximab-Vedotin zur Behandlung maligner hämatologischer Neoplasien (3).

Polatuzumab-Vedotin, Enfortumab-Vedotin, T-DXd, Sacituzumab-Govitecan u.a. zählen zur 3. Generation (7). Bei ihnen wurde die Antikörperkomponente stark humanisiert, wodurch unerwünschte Effekte der Immunogenität weiter verringert werden konnten. Bei anderen ADCs wurden Anti­körperfragmente (Fabs) statt Full-size-Antikörpern eingebaut, die im Kreislauf stabiler sind und schneller in die Zellen aufgenommen werden. Einige der Weiterentwicklungen wie T-DXd gegen Mammakarzinom weisen im Vergleich zu T-DM1 auch eine höhere Wirkstoff-Antikörper-Ratio (Drug Antibody Ratio, DAR) auf, womit ihre verbesserte Wirksamkeit erklärt wird (3, 7).

Durch die vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten der modular aufgebauten ADCs wurde inzwischen eine ganze Palette möglicher Therapiekonstrukte mit verbesserten Wirkmechanismen, Bystander-Effekten und verringerter unerwünschter Immunogenität entwickelt (Abb. 1). Dies schlägt sich auch in einer ganzen Reihe von Zulassungen für die Anwendung beim Menschen nieder (1, 3, 7).
 

Abb. 1: Auswahl von ADCs für hämatologische Neoplasien (oben) und solide Tumoren (unten). Die Modularität der Konstrukte mit den 3 Komponenten Antikörper, Linker und Payload (angegeben ist die Drug Antibody Ratio, DAR) ermöglicht vielfältige Kombinationen (mod. nach (2)). BCMA=B cell maturation antigen, FRα=folate receptor alpha, HER2=human epidermal growth factor receptor 2, TF=tissue factor, TROP2=tumour-associated calcium signal transducer 2

Aufnahme und Wirkung der ADCs

Eine der technischen Herausforderungen ist die Freisetzung der zytotoxischen Komponente am richtigen Ort im Tumor und nicht schon vorzeitig im Körper oder umliegenden Gewebe. Ist das ADC in den Körper eingebracht, bindet es über die Antikörperkomponente an die anvisierte Zelle und wird erst einmal als Ganzes internalisiert und in die Lyso-/Endosomen aufgenommen (Abb. 2). Die Freisetzung der Wirksubstanz ist stark von den intrazellulären Bedingungen und dem eingebauten Linker bestimmt, der als spaltbarer (cleavable) oder nicht-spaltbarer (non-cleavable) Linker konstruiert sein kann. Die aus dem Konstrukt freigesetzte Wirksubstanz hemmt beispielsweise die DNA-Synthese und Proliferation der Zellen. Wird der Wirkstoff aus absterbenden Zellen frei, können auch nebenliegende Zellen geschädigt werden (Bystander-Effekt), was zum einen zur Wirkverstärkung, zum anderen zu Nebenwirkungen beiträgt (Abb. 2) (1-3).
 

Abb. 2: Internalisierung und Wirkung von ADCs. a) Bindung an Zielantigen, b) Aufnahme in lysosomales/endosomales Kompartiment mit Freisetzung des Wirkstoffs, c) Diffusion des Wirkstoffs zu Wirkort wie DNA oder Mikrotubuli, d) toxische Wirkung, e) Wirkstofffreisetzung aus zerstörten Zellen und Bystander-Effekt auf umliegende Zellen, f) extrazelluläre Freisetzung des Wirkstoffs und Diffusion in Nachbarzellen (mod. nach (3)).

Antikörperkomponente

Die Antikörperkomponente wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, wie Antigen-Bindungsstelle (V-Region), Chimerisierungs-/Humanisierungsgrad und Antikörper-Subtyp (Abb. 1) (1-3). Wichtig ist eine hochaffine Bindung zwischen Antikörper und Zielstruktur. Hierfür sind inzwischen mehr als 50 potenzielle Oberflächenantigene mit ausreichend spezifischer Expression auf Tumorzellen charakterisiert. Die bereits zugelassenen ADCs für hämatologische Neoplasien nutzen zum Andocken u.a. CD33, CD30, CD22, CD79b, B cell maturation antigen (BCMA/TNFRSF17) und CD19, ADCs für solide Tumoren zielen u.a. auf HER2, Nectin-4, tumour-associated calcium signal transducer 2 (TACSTD2/TROP2), tissue factor (TF) oder Folatrezeptor alpha (FRα) (2, 3).

Zu Anfang der Entwicklung wurden murine Antikörper eingesetzt, die stark immunogen waren. Die Reaktion des Körpers hierauf durch Anti-Maus-Antikörper konnte später durch Chimerisierung der Antikörper verringert werden, bei denen einzelne Domänen der Maus-Antikörper durch humane Sequenzen ersetzt sind. Nach und nach wurden zunehmend stärker humanisierte Antikörper als Basiskomponente mit wesentlich geringerer Immunogenität genutzt (1, 3). Die bisher entwickelten ADCs variieren auch mit Blick auf die Antikörper-Subklassen, die sich in der biologischen Aktivität und Affinität unterscheiden. Häufig werden Antikörper der Subklasse IgG1 eingesetzt, deren Effektorfunktion, strukturelle Homogenität und Kreuzreaktivitäten gut bekannt sind. Der ebenso genutzte Subtyp IgG4 hat eine niedrigere Affinität für Fcγ-Rezeptoren, was sich auf die Immunogenität auswirkt (1-3).

Zytotoxisches Payload

DNA-Basen-Analoga wie 5-Fluoro­uracil (5-FU), DNA-interagierende Wirkstoffe wie Cisplatin und Actinomycin D, die Antimetaboliten Aminopterin und Methotrexat oder Tubulin-Inhibitoren wie Paclitaxel und Vincristin-Derivate sowie viele andere Substanzen werden seit Jahrzehnten in der Chemotherapie eingesetzt. Die im ADC gekoppelte Wirksubstanz wird als „Payload“ bezeichnet (Abb. 1) (2). Mit Blick auf die Effektivität eines ADC sollten potente, in pico- oder nanomolaren Konzentrationen wirksame Zytostatika gewählt werden. Anfangs wurden eher klassische Substanzen wie Doxorubicin und Methotrexat eingesetzt, u.a. weil deren Toxizitätsprofil bekannt war. Allerdings wurde bei ersten ADCs noch eine zu geringe Konzentration in den malignen Zellen erreicht. Inzwischen werden eher Auristatin, Calicheamicine und Maytansinoide als Payload gebunden. Auristatin führt zum G2/M-Zellzyklusarrest, indem es die Mikrotubuli-Bildung der Zellen verhindert; Calicheamicin verursacht DNA-Brüche und Zelltod und ist auch bei niedriger Proliferationsrate wirksam; Wirksubstanzen wie α-Amanitin (RNA-Polymerase-Inhibitor) und Duocarmycin oder Pyrrolobenzodiazepine (DNA-Alkylierung) werden derzeit für neue ADCs ausgetestet (2). Darüber hinaus wird untersucht, inwiefern das Verlinken mehrerer Wirkstoffmoleküle pro ADC die Wirkung noch verbessert. Die DAR, d.h. die Anzahl an Wirkstoffmolekülen pro Antikörpermolekül, und die chemische Position der Verlinkung bestimmen wesentlich die Stabilität und Effektivität eines ADC (1, 8). Auch sog. „dual-payload ADCs” werden experimentell untersucht, bei denen 2 Substanzen mit unterschiedlichem Wirkmechanismus in einem ADC kombiniert werden (1, 2).

Linker

Für die Zielgenauigkeit der ADCs durch Freisetzung der Wirksubstanz an der gewünschten Stelle sind die Eigenschaften der Linker und die Bedingungen im Tumor entscheidend. Spaltbare Linker sind Säure-, Protease- oder Glutathion-sensitiv, sodass der Wirkstoff durch Hydrolyse oder enzymatische Spaltung abgelöst wird. Dies erfolgt direkt im endo-lysosomalen Kompartiment der Zelle, das einen niedrigen pH-Wert und hydrolysierende Enzyme enthält. Außerdem haben viele maligne Zellen erhöhte Glutathion-Level, was ebenfalls zur Freisetzung des Wirkstoffs führen kann. Bei non-cleavable Linkern dagegen wird der Wirkstoff nur durch Abbau der Antikörperkomponente durch spezifische Proteasen freigesetzt (2). So hat der Linker wesentlichen Einfluss auf Pharmakokinetik und therapeutischen Index (TI) des Gesamtmoleküls. Der TI gibt als pharmakologische Kenngröße (LD50/ED50) den Quotienten aus der mit 50% Wahrscheinlichkeit tödlichen Dosis und der mit 50% Wahrscheinlichkeit effektiven Dosis an (1).

Von Target-spezifischer Cytotox über Bystander-Effekt bis ADCC

Ähnlich wie bei ungebundenen Therapie-Antikörpern, spielen auch bei ADCs verschiedene Mechanismen zusammen (9). Zum einen ist dies die toxische Wirkung auf die anvisierten Tumorzellen, zum anderen die Wirkung auf umliegende Zellen aufgrund von Diffusion. Dieser Bystander-Effekt kann Tumorzellen mit verminderter Antigen-Expression und Tumor-unterstützende Zellen des Microenvironment treffen (9) und wird von den physikochemischen Eigenschaften der Payload bestimmt. Sowohl eine Wirkverstärkung, als auch unerwünschte Nebenwirkungen können die Folge sein (2, 9). Darüber hinaus können Antikörper-spezifische Effekte zur Zerstörung der Tumorzellen beitragen, wie Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC) durch natürliche Killerzellen, Antikörper-abhängige zellvermittelte Phagozytose (ADCP) durch Makrophagen und Komplement-vermittelte Zytotoxizität (CDC) (9).

Nicht zu unterschätzen ist auch die Wirkung der Antikörperkomponente auf die Zielrezeptoren, sodass durch geschickte Kombination verschiedener Substanzen der Therapieerfolg noch gesteigert werden kann (2, 9). So blockiert der Antikörper Trastuzumab schon allein das Signalling des HER2-Wachstumsfaktorrezeptors auf Mammakarzinom-Zellen. Die ADCs T-DM1 und T-DXd bieten zusätzlich die chemotherapeutische Komponente. Und darüber hinaus wurde gerade gezeigt, dass der Zusatz des HER2-Hemmers Tucatinib die Wirkung noch verstärken kann (4).

Auch ADCs vor Resistenzen nicht gefeit

Wie bei vielen Wirkstoffen stößt auch die Entwicklung der ADCs immer wieder auf Limitationen von unzureichender Bio­verfügbarkeit bis Effektivität. Un­erwünschte Wirkungen durch spontane Spaltung des Linkers und Freisetzung des Wirkstoffs im Blut mit nachfolgenden Off-target-Effekten sind ebenfalls zu bedenken (2). Darüber hinaus kann es bei ADCs zu Escape- und Resistenzmechanismen der Tumorzellen kommen. Mutationen oder Verlust des Zielantigens im Tumor, verringerte Rezeptor-vermittelte Endozytose zur Internalisierung der ADCs, geringere Proteolyse im Lysosom mit verringerter Wirkstoff-Freisetzung, Efflux-Pumpen zum aktiven Ausschleusen der Wirkstoffe und damit eine verringerte Sensitivität der Zielzellen sind bereits von konventionellen Chemotherapeutika bekannt (2, 3). Um diesem zu begegnen, wird an weiterer Optimierung der Antigen-bindenden Region im Antikörper (V-Region), an optimierten Linker-Technologien und neuen Wirksubstanzen in präklinischer und klinischer Entwicklung gearbeitet (1, 3, 7).

Diagnostik und weitere Erkrankungen im Blick

Inzwischen schielt die Forschung auch weit über klassische ADCs hinaus. So wird an Probody-Drug Conjugates (PDCs), d.h. Konstrukten mit maskierten, proteolytisch spaltbaren Prodrugs, und an bispezifischen ADCs mit mehreren Zielstrukturen gearbeitet. Dabei geht es darum, die Spezifität der Konstrukte zu verbessern und die Toxizität und damit die Nebenwirkungen zu verringern (2, 7). Außerdem werden Konjugate mit anderer Payload entwickelt, wie Antikörper-Steroid-Konjugate für einen möglichen Einsatz bei rheumatischen Erkrankungen und Antikörper-Oligonukeotid-Konjugate (AOCs) als Gene-silencing-Technologie (2). Auch immun-stimulierende Antikörper-Konjugate (iADCs) zur TLR-Stimulation und Antibody-degrader-Konjugate sowie Non-IG-drug-Konjugate, wie small-molecule drug conjugates (SMDCs) und ultrasmall C‘Dot-drug conjugates, sind in der Entwicklung (2). Stellschrauben an der chemischen Struktur und den Herstellungsmodalitäten gibt es viele, der Nutzen muss sich im Einzelfall noch zeigen und auch die Kosten müssen bezahlbar sein (10).

Es besteht kein Interessenkonflikt.

Serie: Neue Therapiekonzepte

Den Auftakt unserer Serie zu neuen Therapiekonzepten bilden die ADCs. In den nächsten Ausgaben folgen Übersichtsbeiträge zu Nanobodies, BiTEs, Adapter-CAR-Plattform und mRNA-Vaccine.