Bad guy – good guy?

Eigentlich sind sie uns – oft unbemerkt – sehr gut bekannt: Irgendwann in unserem Leben durchlaufen die meisten von uns eine Infektion mit einem Adenovirus, häufig ohne dass sie ernsthaft erkranken. Adenoviren gehören zur Virusfamilie der Adenoviridae, die dadurch charakterisiert sind, dass sie keine Hüllmembran besitzen. Stattdessen ist das lineare, doppelsträngige DNA-Genom von einem Proteinkapsid eingeschlossen. Dieses Kapsid macht die Viruspartikel sehr stabil gegenüber äußeren chemischen und physikalischen Einflüssen, weshalb die Adenoviren relativ lange auch ­außerhalb des Wirtskörpers infektiös bleiben. Die Familie der Adenoviridae umfasst eine Vielzahl verschiedener, nahe verwandter Viren, die ganz unterschiedliche Wirbeltiere ­infizieren können und auch in der Lage sind, einen Wirtswechsel vorzunehmen.

In der Gruppe der humanpathogenen Adenoviren (HAdV) sind mehr als 100 Genotypen und 52 Serotypen anzutreffen, die in die sieben Spezies A bis G eingeordnet werden. Verantwortlich für die Unterscheidung der Serotypen sind Variationen in den Kapsidproteinen. Wichtige Bestandteile des Kapsids sind die Proteine II und III, die sogenannte Hexone und Pentone bilden. Mit den Pentonen assoziiert sind Homotrimere des Glykoproteins IV, die als Faser- und Knopf-Struktur aus der Kapsid-Oberfläche herausragen und für die Erkennung des Rezeptors auf der Wirtszelle verantwortlich sind (Abb. 1). Die meisten Adenoviren binden an den „coxsackievirus and adenovirus receptor“ (CAR), der vor allem von Epithel- und Endothelzellen exprimiert wird und in verschiedenen Organen zu finden ist. Daraus resultieren die unterschiedlichen Erkrankungsbilder, die von Atemwegserkrankungen über Konjunktivitis bis Magen-Darm-Beschwerden und Hepatitiden reichen können und abhängig vom jeweiligen Adenovirus-Typ sind (Tab. 1). Diese Erkrankungen beeinträchtigen vor allem Immunsupprimierte oder Neugeborene und Kleinkinder, bei Immunkompetenten verlaufen die Infektionen häufig asymptomatisch.

Bindet ein Adenovirus an eine passende Wirtszelle, wird das Viruspartikel endosomal aufgenommen. Ein Struktur­protein des Virus sorgt dafür, dass die Endosomenmembran löcherig wird. Erst an der Kernmembran wird das virale Genom vollständig entpackt und in den Zellkern eingeschleust. Die virale DNA integriert nicht in die Chromosomen der Wirtszelle, sondern verbleibt episomal im Nucleus. Relativ kurz nach der Infektion wird die wirtszelleigene Synthesemaschinerie komplett umprogrammiert, um nur noch für die Bildung neuer Adenoviren zu arbeiten. Gleichzeitig werden mögliche intrazelluläre antivirale Mechanismen inhibiert. Die neuen Viruspartikel werden schließlich im Zellkern zusammengebaut und durch Lyse der Wirts­zelle freigesetzt. In einmal infizierten Personen können Adenoviren jahrelang unbemerkt beispielsweise in Tonsillen oder im Lymphgewebe des Darms persistieren und über Speichel und Stuhl in geringen Mengen ausgeschieden werden. Eine Ansteckung ist über einen direkten Kontakt mit einem Infizierten, aber auch über Aerosole oder kont­aminierte Gegenstände möglich. Nicht zu unterschätzen ist die Übertragung beispielsweise durch mit Adenoviren kontaminiertes Wasser in Schwimmbädern. Gerade in Gemeinschaftseinrichtungen kann es zu lokalen kleineren Epidemien zu zeitlich und örtlich begrenzten Epidemien kommen.

Da Adenoviren keine Lipidhülle besitzen, müssen zur wirksamen Desinfektion Mittel mit der Deklaration „begrenzt viruzid Plus“ eingesetzt werden, die gegen behüllte Viren plus Adeno-, Noro-, Rotaviren wirksam sind. Die üblichen Hygienemaßnahmen wie Händewaschen, das Vermeiden des Augenreibens mit ungewaschenen Händen oder das Tragen von FFP2-Masken helfen, Infektionen zu vermeiden.

Adenoviren als „good guys“

Seit Adenoviren in den 1950er-Jahren entdeckt wurden, werden sie intensiv studiert: Es ist genau bekannt, welche Zellen wie infiziert werden und welches virale Protein welche Aufgabe innerhalb des Lebenszyklus hat. Außerdem war das doppelsträngige DNA-Genom der Viren früh Ziel rekombinationstechnischer Arbeiten. Dadurch gehörten Adenoviren zu den ersten Vektoren, die für eine In-vivo-Gentherapie getestet wurden, wobei das Hauptaugenmerk der Wissenschaftler vor allem auf den Serotypen 2, 5 und 26 liegt. Mittlerweile ist so viel über diese Viren bekannt und publiziert, dass quasi ein „Baukastensystem“ zur Verfügung steht, um Adenoviren passgenau für bestimmte DNA-Transfers zu konstruieren.

Der große Vorteil der Adenoviren besteht darin, dass sie eine Vielzahl unterschiedlicher Gewebe infizieren können, und das unabhängig davon, ob sich die Zellen teilen oder nicht. Damit wird der Gentransfer extrem effizient. Das Virusgenom bleibt zudem episomal, was einerseits den Vorteil hat, dass die Gentherapie keine malignen Insertionsmutationen induziert. Andererseits dünnen sich die episomalen Genkopien über die Zeit mit den Zellteilungen aus und die Genexpression ist nur transient und nicht dauerhaft. Soll mit der Gentherapie erreicht werden, dass ein fehlendes oder defektes Protein lebenslang ersetzt wird, müsste demzufolge die Applikation des Vektors nach einiger Zeit wiederholt werden. Dafür sind Adenoviren jedoch wegen ihrer starken Immunogenität eher nicht geeignet: Nach der ersten Applikation ist das Immunsystem meist so gegen das Virus konditioniert, dass der Gentherapie-Vektor neutralisiert und eine Entzündung induziert wird. Deshalb werden Adenoviren mittlerweile vor allem in der Tumortherapie und als Träger von Impfantigenen eingesetzt, für die nur eine oder zwei Anwendungen erforderlich sind. Allerdings wird auch versucht, die Immunogenität der Virusoberflächen durch beispielsweise Hybrid-Vektoren aus zwei Serotypen zu ­reduzieren.

Drei Generationen an modifizierten Adenoviren wurden bisher entwickelt und stehen für unterschiedliche Therapieansätze zur Verfügung. Diese Modifikationen beeinträchtigen mehr oder weniger stark die Replikation der Viren und ermöglichen den Transfer mehr oder weniger großer Fremd-DNA. Was bedeutet das? Das Virusgenom ist ca. 36 kBp groß und trägt vier Gene, die früh nach der Infektion transkribiert und translatiert werden (early E1 bis E4) und dafür verantwortlich sind, dass Replikation und Transkription in der Wirtszelle nur noch zugunsten des Virus-Genoms stattfinden und keine zellulären Abwehrmechanismen greifen (s. Abb. 2A). Fünf weitere, späte Gene (late L1–L5) werden nach der Replikation der Virus-DNA exprimiert und kodieren hauptsächlich für Strukturproteine.

Das fertige Viruspartikel kann nur bis zu 105% der normalen Genomgröße aufnehmen. Für die Verwendung eines Adenovirus als Transfervektor für ein Transgen müssen also Teile des Virus-Genoms entfernt werden, um Platz zu schaffen für die fremde genetische Information. In der ersten ­Generation rekombinanter Adenoviren wurden die E1- und E3-Regionen entfernt, wodurch ein 7,5 kBp großes DNA-Fragment aufgenommen werden kann (s. Abb. 2C). Durch die Entfernung der Bereiche E1 und E4 bei der zweiten Generation konnte die Immunogenität der Adenoviren signifikant reduziert werden, was vor allem bei der Gentherapie interessant ist. Mehr als 30 kBp Fremd-DNA passen in Vektoren der dritten Generation, in der alle Gene des Virus entfernt wurden. Es bleiben nur noch die beiden kurzen invertierten terminalen Wiederholungseinheiten und das Verpackungssignal des Virus erhalten. Für die Herstellung dieser Vektoren müssen dann jedoch sogenannte Helferviren oder spezielle, rekombinante eukaryontische Expressionszellen verwendet werden, die alle nötigen Faktoren für die Replikation der Viren liefern.

Die Voraussetzungen für einen Transfer neuer genetischer Information in Zellen waren also erfüllt, die Frage war dann nur noch, welche Transgene interessant sind.

Bereits seit einigen Jahren wird in der Impfstoffentwicklung darüber nachgedacht, statt eines Impfantigens „nur“ die genetische Information für das Protein als Vakzine anzuwenden. In der Folge stellt der Impfling selbst das Antigen her und reagiert mit der Bildung von Antikörpern und der Aktivierung zytotoxischer T-Zellen darauf – genau das, was man nach einer Impfung erreichen will. Die Frage ist nur, wie die genetische Information in die Zellen gelangt. Für die beiden Adenovirus-basierten COVID-19-Impfstoffe Vaxzevria von AstraZeneca und COVID-19 Vaccine Janssen wurden die Regionen E1 und E3 des Schimpansen-Adenovirus ChAdOx1 bzw. des humanen Adenovirus 26 durch die genetische Information für das Spike-Protein von SARS-CoV-2 ersetzt.

In der Tumortherapie wurden bisher drei verschiedene Ansätze verfolgt: Bei der einfachsten Variante werden immunologisch relevante Gene, also beispielsweise die Informationen für bestimmte Zytokine oder Wachstumsfaktoren, mithilfe nicht mehr vermehrungsfähiger Adenoviren in die Tumorzellen eingebracht, um lokal das Immunsystem gegen den Tumor zu mobilisieren. Hier wurde vor allem das Gen für Interleukin 2 (IL-2) eingesetzt, das als wichtiges Proliferations- und Differenzierungssignal für T-Zellen fungiert. Im Tiermodell war zu beobachten, dass T-Zellen zur Bekämpfung des Tumors rekrutiert wurden, allerdings war die Anwendung nicht ganz einfach: Zu hohe IL-2-Konzentrationen führten zu Schäden in Milz und anderen Organen. Die etwas komplexere Adenovirus-basierte Variante besteht aus einer Kombination eines Zytokin-Gens (z. B. für IL-12) mit einem Gen, das für einen Tumor-Suppressor oder für ein zytotoxisches Protein kodiert. In China wurde 2003 mit Gendicine^® das weltweit erste virale Präparat zur Therapie des Kopf- und Hals-Plattenepithelkarzinoms zugelassen. Das wirksame Prinzip ist ein Ad5-Patikel, das die Information für das menschliche p53 als Tumorsuppressor in die Tumorzellen einbringt.

Als zytotoxisches Prinzip bietet sich beispielsweise die Herpes-simplex-Thymidin-Kinase an. Wird das Protein in Tumorzellen exprimiert, entsteht aus verabreichtem, unschädlichem Ganciclovir das entsprechende Triphosphat, das bei der DNA-Synthese zum Kettenabbruch führt. Dadurch sterben die Tumorzellen ab. Alternativ wird auch die Purinnukleosid-Phosphorylase aus Escherichia coli und Fludarabin verwendet. Allerdings sind auch diese Therapieansätze bisher nicht über Phase-I-Studien hinausgekommen.

Eine dritte, mittlerweile erfolgreicher eingesetzte Adenovirus-Variante sind die sogenannten onkolytischen Viren. Dabei handelt es sich um bedingt replikationsfähige Adenoviren (conditionally replicating adenoviruses, CRAd), die sich ausschließlich in Tumorzellen vermehren können und diese dabei lysieren. Für die Replikation der Adenoviren ist die E1-Region zwingend erforderlich. Damit sie nur in Tumorzellen stattfindet, stehen verschiedene technische Ansätze zur Verfügung. Zum einen kann eine Tumor-spezifische Promotorsequenz wie z. B. der Promotor des Survivin- oder des humane-Telomerase-reverse-Transkriptase-Gens zur Transkriptionskontrolle der E1-Region genutzt werden. Zum anderen verhindern einige Deletionen in E1 die Replikation der Viren, allerdings kann dieser Defekt durch bestimmte molekulare Eigenschaften einer Tumorzelle kompensiert werden, was wiederum die Virusvermehrung ermöglicht (Abb. 2B). 2005 wurde in China mit Oncorine^® das erste onkolytische Ad5-Virus mit einer Deletion im E1B zur Behandlung von refraktären Nasopharynx-Tumoren im Spätstadium in Kombination mit einer Chemotherapie zugelassen. Diese Viren können sich nur in solchen Tumorzellen vermehren, die durch ein Fehlen von p53 charakterisiert sind. Durch die virusabhängige Lyse der Tumorzellen werden zudem Antigene freigesetzt, die das Immunsystem stimulieren, zusätzlich gegen den Tumor vorzugehen (Abb. 3). Unterstützt kann dieser Effekt noch dadurch werden, dass die onkolytischen Adenoviren die Information für ein Zytokin zur Stimulation der Immunzellen mitbringen.

Fazit

Die Forschung an und mit Adenoviren hat inzwischen eine Vielzahl an Möglichkeiten verfügbar gemacht, die Viren entweder als reine Genfähren oder als passgenaue Tumortherapeutika zu verwenden. Intravenös appliziert, werden die Viruspartikel im Normalfall sehr schnell eliminiert. Die intramuskuläre Applikation der Impfstoffe umgeht dieses Problem ebenso wie die intratumorale Anwendung der onkolytischen Viren. Durch zusätzliche gentechnische Modifikation der Kapsid-Proteine lassen sich die Infektionseffizienz und Gewebespezifität verbessern. In Europa ist mit Talimogen laherparepvec (Imlygic^®) bereits ein Präparat mit onkolytischen Viren zur Behandlung des metastasierten Melanoms zugelassen, allerdings auf der Basis von Herpes-Viren. |