Einfluss der Glykosylierung auf Immun-Checkpoint-Inhibitoren

Immuncheckpoints sind Regulatoren des Immunsystems. Sie sind entscheidend, um zu verhindern, dass das Immunsystem wahllos Zellen angreift. Immuncheckpoints greifen ein, wenn Proteine auf der Oberfläche von Immunzellen, die T-Zellen genannt werden, Partnerproteine auf anderen Zellen erkennen und an sie binden. Wenn sich Checkpoint- und Partnerproteine verbinden, senden sie ein Aus-Signal an die T-Zellen. PD-1 ist ein Rezeptor, der auf der Oberfläche mehrerer zirkulierender Immunzellen exprimiert wird und als Ausschalter fungiert und verhindert, dass T-Zellen andere Zellen angreifen. Dies geschieht, wenn es sich an den PD-L1-Liganden anlagert, der auf einer Vielzahl von Zellen exprimiert wird. Wenn PD-1 an PD-L1 bindet, überträgt es hemmende Signale, die die T-Zell- Funktion unterdrücken und somit die Autoimmunität einschränken. Tumorzellen können sich diese natürlichen Schutzmechanismen zunutze machen, indem sie PD-L1 präsentieren, das an PD-1 bindet, wodurch verhindert wird, dass T-Zellen Tumorzellen im Körper abtöten. Die Blockierung der Bindung von Tumor-PD-L1 an PD-1 mit einem inhibitorischen Molekül (z. B. monoklonalen Antikörpern) verhindert das Senden des Aus-Signals und ermöglicht den T- Zellen, Tumorzellen abzutöten. Mehrere Anti-PD-1/PD-L1-Antikörper werden in der Krebsimmuntherapie eingesetzt, ihr Erfolg ist jedoch bisher begrenzt. Alternative Strategien schlagen die Verwendung kleiner Verbindungen und Peptide vor, um die PD-1/PD-L1-Interaktion zu blockieren. Zum Beispiel ist lösliches rekombinantes PD-1 in der Lage, PD-L1 zu binden und zu neutralisieren und als Ligandenfalle (Köder) zu wirken. PD-L1 und PD-1 sind mit Zucker dekorierte Proteine (Glykosylierung). Diese Zucker (Glykane) vermitteln die Interaktion von PD-L1/PD-1, aber eine eingehende Analyse der Rolle der Glykosylierung bei PD-L1/PD-1-Wechselwirkungen liegt noch nicht vor. Die Art der Glykane auf rekombinanten Proteinen hängt von der Glykosylierungsmaschinerie des Wirts ab. Pflanzen sind in den Kampf gegen Krebs eingetreten, weil sie kostengünstige und effiziente Wirte darstellen, um Proteine innerhalb von Wochen zu produzieren. Insbesondere Nicotiana benthamiana eignet sich gut für die transiente Expression rekombinanter Proteine ohne die Notwendigkeit einer genetischen Transformation. Wichtig ist, dass Pflanzen ein kleines Glykosylierungsrepertoire haben und ihnen viele Säugetier-Glykosyltransferasen fehlen. Dies kann als Vorteil genutzt werden, um eine flexible schrittweise Überexpression von Glykosyltransferasen zu ermöglichen, die für eine spezifische Glykanmodifikation erforderlich sind. Das Projekt zielt darauf ab, die Toleranz von Pflanzen gegenüber Glyko-Engineering zu nutzen, um Proteine mit homogenen maßgeschneiderten Glykanen zu synthetisieren und zu identifizieren, welche Art von Glykanen die Affinität von PD-L1 zu PD-1 verbessern können. Dies wird es uns ermöglichen, Ködermoleküle mit optimierten Glykanen zu entwickeln, die an Tumor-PD-L1 binden und verhindern, dass es an PD-1 bindet, um T-Zellen auszuschalten. Studien zur funktionellen Aktivität von glyko-optimierten Proteinen werden wahrscheinlich wichtige Einblicke in glykanabhängige Wechselwirkungen liefern, die bei therapeutischen Anwendungen in der Krebsbehandlung helfen werden.

Das Hauptziel dieses Projekts war es, einen wichtigen Mechanismus besser zu verstehen und gezielt zu beeinflussen, den Krebszellen nutzen, um dem Immunsystem zu entkommen. Dieser Mechanismus basiert auf zwei Proteinen, PD-1 und PD-L1, die normalerweise die Immunantwort regulieren. Krebszellen können dieses System ausnutzen, indem sie PD-L1 produzieren, wodurch Immunzellen "abgeschaltet" werden und die Tumorzellen ungestört wachsen können. Antikörper, die PD-1 oder PD-L1 blockieren, haben die Krebstherapie revolutioniert, ihre Wirksamkeit ist jedoch unterschiedlich, und Nebenwirkungen oder Resistenzprobleme bleiben eine Herausforderung. Unser Projekt hatte zum Ziel, neue Werkzeuge zu entwickeln, um diesen Signalweg besser zu verstehen und alternative Therapieansätze zu erforschen. Wir nutzten Pflanzen als "Mini-Bioreaktoren", um menschliche Proteine des Immunkontrollsystems herzustellen. Pflanzen sind kostengünstige, schnelle und sichere Produktionssysteme für komplexe menschliche Proteine, sodass wir verschiedene Varianten von PD-1, PD-L1 und Antikörpern mit gezielt veränderten Zuckerstrukturen herstellen konnten. Diese Zucker, sogenannte Glykane, spielen eine wichtige Rolle für die Funktion und Interaktion der Proteine, sind aber oft wenig verstanden. Durch die gezielte Kontrolle der Zuckerprofile konnten wir untersuchen, wie Glykosylierung die Blockierung oder Bindung der Proteine beeinflusst. Unser Team produzierte erfolgreich pflanzenbasierte PD-1-Fusionsproteine sowie Varianten des Antikörpers Durvalumab (anti-PD-L1) mit definierten Zuckerprofilen. In Labortests zeigten diese Proteine eine effiziente Blockade der PD-1/PD-L1-Interaktion. Einige Varianten wiesen zudem verbesserte Stabilität, längere Halbwertszeit im Blut und geringere Bindung an hemmende Rezeptoren auf - Eigenschaften, die therapeutisch vorteilhaft sind. Bemerkenswerterweise erkannten die pflanzenbasierten PD-1-Proteine PD-L1 unabhängig von dessen Zuckerstruktur, was darauf hindeutet, dass sie als robuste diagnostische Werkzeuge genutzt werden könnten, um Patientinnen und Patienten zu identifizieren, die am meisten von Immuncheckpoint-Therapien profitieren. Das Projekt zeigt, dass Pflanzen als Produktionsplattform für therapeutische Proteine und für die Entwicklung neuer Krebstherapien äußerst flexibel und leistungsfähig sind. Die Ergebnisse liefern wichtige Einblicke, wie Zuckerstrukturen die Funktion von Immuncheckpoint-Proteinen beeinflussen, und eröffnen neue Möglichkeiten für die kostengünstige Herstellung von biologischen Wirkstoffen für Therapie und Diagnostik. Über den Krebs hinaus könnte diese Arbeit auch die Entwicklung von Therapien für Infektions- und andere immunologische Erkrankungen vorantreiben und so gesellschaftliche, medizinische und wirtschaftliche Vorteile bringen.