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TITEL

 
Angeborenes Immunsystem

TLR eröffnen neue Möglichkeiten

Von Alexandra K. Kiemer

 

Toll-like-Rezeptoren (TLR) spielen eine wichtige Rolle in der unspezifischen Immunantwort des Menschen. Synthetische Aktivatoren dieser Rezeptoren sind bereits als Arzneimittel zur lokalen Krebstherapie und als Impfstoffadjuvantien zugelassen. Neue Agonisten und Antagonisten werden für zahlreiche Anwendungsgebiete entwickelt.

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Mitte der 1980er-Jahre stieß die Entwicklungsbiologin und spätere Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard bei der mikroskopischen Betrachtung von mutierten Fruchtfliegen auf ein Tier, dem ein Gen für ein bis dahin unbekanntes Protein fehlte. Die einzigartige embryonale Entwicklung des Tieres entlockte ihr den begeisterten Ausruf »toll«, sodass das Gen auf den Namen »Toll« getauft wurde. Etwa zehn Jahre später stellte sich heraus, dass der Rezeptor, für den das Gen kodiert, in der Fruchtfliege nicht nur die Embryonalentwicklung reguliert, sondern auch an der Pilzabwehr der Insekten beteiligt ist.

 

1997 wurde ein dem Insekten-»Toll« sehr ähnlicher Rezeptor im Säugetier identifiziert, der daher als Toll-ähnlicher Rezeptor (toll-like receptor, TLR) bezeichnet wurde (1, 2). Mittlerweile kennt man im Menschen zehn verschiedene TLRs, denen eine wichtige Rolle in der angeborenen/unspezifischen Immunantwort zukommt. TLRs finden sich in allen höheren Organismen, wobei die Anzahl der Subtypen stark variiert: Kennt man in Wirbeltieren meist etwa zehn bis zwölf TLRs, so sind es im Seeigel über 200 (2)!

 

Liganden für jeden TLR

 

Alle TLRs sind ähnlich aufgebaut. Es handelt sich um Transmembran-Glykoproteine, die aus der meist extrazellulären Leucin-reichen Liganden-Bindungsdomäne und einem zytoplasmatischen Bereich bestehen, der eine große Ähnlichkeit mit dem Interleukin-1-Rezeptor hat (1).

 

Die Liganden-Bindungsdomänen der TLRs erkennen bestimmte, nicht variable molekulare Strukturen, die für Pathogene charakteristisch sind: sogenannte Pathogen-assoziierte molekulare Muster (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs). Diese Strukturen sind im Wirtsorganismus nicht oder nur sehr selten anzutreffen. Den wohl wichtigsten Liganden für TLRs entdeckte 1998 die Gruppe um Bruce Beutler vom Scripps Research Institute (La Jolla). Sie identifizierte das bakterielle Endotoxin gramnegativer Bakterien, Lipopolysaccharid (LPS), als Liganden für TLR4 (3). Damit wurde der lange Zeit unbekannte Rezeptor für LPS identifiziert, das als Pyrogen und Verursacher septischer Erkrankungen eine wichtige pathophysiologische Rolle spielt.


Abkürzungen

CpG: Nukleotidabfolge der Basen Cytosin und Guanin

ds und ss RNA: doppel- und einzelsträngige RNA

ISS: immunostimulatory sequences; immunstimulierende Abfolge

LPS: Lipopolysaccharid

MyD88: Myeloid differentiation factor 88; Adaptermolekül

ODN: Oligodesoxynukleotid

PAMP: pathogen-associated molecular pattern; pathogenassoziiertes molekulares Muster

TIR: Toll/Interleukin-1-Rezeptor

TIRAP: TIR domain containing adapter protein; TIR-enthaltendes Adapterprotein

TLR: Toll-like receptor; Toll-ähnlicher Rezeptor

TRAM: TRIF-related adapter molecule; TRIF-ähnliches Adaptermolekül

TRIF: TIR domain-containing adapter molecule inducing interferon-β; TIR-enthaltendes Interferon-β-induzierendes Adaptermolekül


Neben TLR4 ist auch TLR2 für die Erkennung bakterieller Zellwandbestandteile verantwortlich. TLR2 erkennt hauptsächlich die in grampositiven Bakterien vorkommenden Lipopeptide. Eine Besonderheit stellt TLR2 insofern dar, als er mit einem weiteren TLR assoziieren muss; dies kann der Subtyp 1 oder 6 sein. Je nach Corezeptor werden bevorzugt di- oder triacylierte Lipopeptide erkannt. Das in bakteriellen Fortbewegungsorganen, den sogenannten Flagellen, enthaltene Flagellin ist der Ligand für TLR5.

 

Wie TLRs Nukleinsäuren erkennen

 

Die vorgestellten TLRs 1, 2 und 4 bis 6 befinden sich in der äußeren Zellmembran von zahlreichen Immunzellen wie Monozyten/Makrophagen, natürlichen Killerzellen und dendritischen Zellen. Dies ermöglicht die Interaktion mit extrazellulären Erregern oder Toxinen, bei deren Abwehr sie eine wichtige Funktion spielen.

 

Vier weitere TLRs liegen normalerweise intrazellulär vor. Lokalisiert sind sie in Endosomen und im Endoplasmatischen Retikulum, wobei die ligandenbindende Domäne zum Lumen der Vesikel hin ausgerichtet ist. Die intrazellulären Rezeptoren sind vorwiegend für die Abwehr intrazellulärer Erreger bedeutend und erkennen Nukleinsäuren. Nukleinsäuren sind jedoch, im Gegensatz zu bakteriellen Zellwandbestandteilen, Strukturen, die in Wirt und Pathogen anzutreffen sind. Wie können Nukleinsäuren als pathogenassoziiertes Muster erkannt werden?

 

Die TLRs nutzen einen kleinen, aber wesentlichen Unterschied zwischen der DNA von Säugern und Bakterien (oder Viren). Geht man von einer zufälligen Häufigkeitsverteilung der einzelnen DNA-Basen aus, liegt die Wahrscheinlichkeit, dass in einer beliebigen DNA-Sequenz die beiden Basen Cytosin und Guanin aufeinander folgen, bei 1:16. Bakterielle DNA enthält diese Nukleotidabfolge, die man als CpG-Sequenz bezeichnet, normalerweise in dieser erwarteten Häufigkeit. Anders Säuger-DNA: Hier findet man diese Abfolge sehr viel seltener (1:64). Zudem unterscheiden sich diese CpG-Sequenzen durch eine weitere Besonderheit von denen in bakterieller DNA. In etwa 80 Prozent der Fälle ist das C an der 5’-Position methyliert (4).

 

Anhand dieser strukturellen Merkmale erkennt TLR9 bakterielle genomische DNA als »fremd«. Über eine immunologische Rolle von bakterieller DNA berichtete die Gruppe um Tohru Tokunaga bereits in den 1980er-Jahren, ohne den verantwortlichen Rezeptor zu kennen (5). Dass bakterielle Extrakte über eine Immunaktivierung Antitumorwirkungen ausüben, war schon lange bekannt. Als klar wurde, dass DNA der entscheidende Auslöser für diese Wirkung ist, war dies ein wichtiger Schritt hin zur Testung von DNA als Antitumortherapeutikum.

 

Oligonukleotide für TLR9

 

Eine gezielte Aktivierung von TLR9, den Rezeptor für bakterielle DNA, kann für viele Indikationsgebiete nützlich sein. Daher versuchten Forscher sehr frühzeitig, kleinmolekulare Aktivatoren von TLR9 zu entwickeln. Zum Einsatz kommen synthetisch hergestellte Oligonukleotide. Diese sind mit Phosphorothioat-Gruppen modifiziert, die die Moleküle gegen Abbau durch intrazelluläre Nukleasen schützen.

 

Diese Substanzgruppe wird häufig als ISS (immunostimulatory sequences) oder CpG-ODN (oligodesoxynucleotides) bezeichnet. Je nach Basen, die die CpG-Sequenzen umgeben, kann man gezielt nur bestimmte Zelltypen aktivieren, die Aktivierung in eine bestimmte Richtung lenken oder Immunzellen einer bestimmten Spezies ansprechen, vor allem von Maus oder Mensch.

 

Eine zunehmende Zahl von Arbeiten zeigt, dass die Phosphorothioat-modifizierten ISS auch Effekte auslösen können, die teils unabhängig von TLR9 oder sequenzunabhängig vermittelt werden (4, 6). Vor diesem Hintergrund sind Befunde interessant, dass »natürliche« unmodifizierte CpG-Sequenzen den TLR9 besser aktivieren können als die stabilisierten niedermolekularen Synthetika. Dies konnte unsere Arbeitsgruppe sowohl an menschlichen, in vitro differenzierten Makrophagen als auch in menschlichen Lungenmakrophagen nachweisen. Verglichen wurde die Aktivierung der Zellen nach Behandlung mit mykobakterieller DNA oder ISS (7). Auch die CpG-Sequenzen, die in nicht-kodierenden DNA-Regionen gramnegativer Bakterien vorkommen, üben eine besonders starke agonistische Aktivität am TLR9 von Mäuse-Splenozyten aus (8).

 

Die neuen Forschungsarbeiten belegen, dass die agonistische Aktivität, die Phosphorothioat-modifizierte ISS in Immunzellen ausüben, qualitativ und quantitativ anders zu sein scheint als die natürlicher bakterieller DNA. Die dafür verantwortlichen Mechanismen sind noch nicht vollständig geklärt, könnten aber eine gezieltere TLR-Aktivierung ermöglichen.

 

TLRs erkennen auch RNA

 

Neben TLR9 als Sensor für bakterielle/virale DNA erkennen weitere intrazelluläre TLRs RNA. TLR3 fungiert als Rezeptor für doppelsträngige RNA und TLR7/8 als Rezeptoren für einzelsträngige RNA (9). Somit kann eine effiziente Abwehr sowohl gegen einzel- als auch doppelsträngige RNA-Viren erfolgen. TLR7 und -8 werden typischerweise in unterschiedlichen Zelltypen exprimiert. Je nach Funktion und Lokalisation der entsprechenden Zellen schütten diese ein spezifisches Profil an Zytokinen aus.

 

Für den menschlichen TLR10 ist bisher kein Ligand bekannt. Insbesondere für TLR4, aber auch für TLR2 wurden verschiedene endogene Liganden beschrieben, darunter Fibrinogen, Surfactant Protein-A oder die Hitzeschockproteine HSP60 und HSP70. Die Relevanz der Befunde wird immer wieder infrage gestellt, da man kaum mit Sicherheit ausschließen kann, dass die verwendeten Präparationen nicht Spuren der praktisch ubiquitär auftretenden bakteriellen Zellwandbestandteile Lipoteichonsäure (LTA) oder LPS enthalten, die als Agonisten für TLR2 und TLR4 fungieren (10).

 

Zur dreidimensionalen Struktur der TLRs sowie zu den strukturellen Vorgängen, die bei der Bindung der TLR-Liganden an ihre Rezeptoren ablaufen, ist wenig bekannt. Nur für TLR3 kennt man die Kristallstruktur der Liganden-Bindungsdomäne. Für TLR9 weiß man, dass eine Konformationsänderung erforderlich ist, um eine Aktivierung auszulösen. Dieses Wissen reicht bei Weitem nicht aus, um gezielt nach aktivierenden Liganden oder Antagonisten zu suchen (11).

 

Signalweiterleitung

 

Nach der Ligandenbindung ist die intrazelluläre Toll/Interleukin-Rezeptor(TIR)-Domäne für die Signalweiterleitung in die Zelle verantwortlich. Daran binden TIR-Domänen von Adaptermolekülen mit MyD88 als wichtigstem Vertreter. Diese leiten die Signaltransduktion zwischen den Rezeptoren und den anschließenden Proteinkinasen ein, die letztlich zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, allen voran NF-κB, führt. Zu diesem Aktivierungsgang gibt es alternativ einen weiteren Signalweg, der vorwiegend von intrazellulären TLRs genutzt wird.

 

Das detaillierte Verständnis der Signalwege und Signalmoleküle, die nach der Ligandenbindung aktiviert werden, ist sehr wichtig, da sie Angriffpunkte für aktivierende oder inhibierende Arzneistoffe darstellen können.

 

Effekte der TLR-Aktivierung

 

TLRs werden generell in die Gruppe der Rezeptoren der angeborenen Immunantwort eingeordnet. Wie beschrieben, kommt es nach Bindung der PAMPs an die Rezeptoren zur Einleitung einer Signalkaskade und zur Aktivierung verschiedener Transkriptionsfaktoren. In der Folge können Zelldifferenzierung und -proliferation oder auch Apoptose eingeleitet werden.

 

Derzeit am besten untersucht ist die Produktion verschiedener Effektormoleküle im Immunsystem. Diese können zum einen direkt toxisch auf Pathogene einwirken. Beispiele sind die von der NADPH-Oxidase gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies oder das von der induzierbaren NO-Synthase gebildete NO. Zum anderen locken Chemokine weitere Immunzellen an, und bestimmte Zytokine oder Oberflächenrezeptoren bewirken gezielt die Aktivierung und Reifung von Zellen der erworbenen Immunantwort, also von B- und T-Lymphozyten.

 

So ist die TLR-Aktivierung essenziell für eine adäquate Reifung von B-Lymphozyten und somit die Produktion von Antikörpern. Dadurch stellen TLRs ein wichtiges Bindeglied zwischen angeborener und erworbener Immunabwehr dar.

 

Zudem reguliert die TLR-Aktivierung auch die Reifung spezifischer T-Lymphozyten-Populationen. Eine Th1-Antwort umfasst die Bildung von T-Helferzellen vom Typ 1 (Th1). Sie zielt vorwiegend auf die Abwehr intrazellulärer Pathogene ab und bedeutet zwangsläufig auch die Tötung der befallenen Körperzellen. Dass gerade die intrazellulären TLRs eine Th1-Antwort induzieren, erscheint logisch: Es sind vorwiegend intrazelluläre Pathogene, die diese Rezeptoren aktivieren und somit im Wirt gezielt eine Abwehrreaktion vermitteln. Eine Th1-Antwort kann auch erwünscht sein, um körpereigene entartete Zellen, zum Beispiel Krebszellen, abzutöten.

 

Eine Th2-Antwort richtet sich dagegen vorwiegend gegen extrazelluläre Pathogene. Es werden Antikörper gebildet, die entweder die Erreger selbst oder ihre Toxine neutralisieren. Doch die Th2-Reaktion kann auch Krankheiten auslösen. So tritt eine erhöhte Th2-Antwort bei allergischen Reaktionen auf, wenn ein Allergen versehentlich für ein Pathogen gehalten wird.

 

TLRs als Arzneistoff-Targets

 

Die Aktivierung von TLRs bietet eine zuvor nie gekannte Möglichkeit, die Immunantwort in eine bestimmte Richtung zu lenken. Bestes Beispiel ist die Aktivierung von TLR9 zur gezielten Einleitung einer Th1-Antwort. Dies ist zum Beispiel für die Krebstherapie und die dabei erwünschte zelluläre Abwehr höchst interessant. Eine gezielte Dämpfung der Th2-Antwort stellt eine Therapieoption bei Asthma und Allergien dar.

 

Heute werden Agonisten und Antagonisten entwickelt oder bereits eingesetzt, die bestimmte TLR-Subtypen aktivieren oder hemmen. Das mögliche Indikationsspektrum ist breit und reicht von Tumoren, Infektionen, Allergien, chronisch entzündlichen Darmleiden und Autoimmunerkrankungen bis zu kardiovaskulären Krankheiten. Im Folgenden werden zunächst Agonisten und mögliche Einsatzgebiete, dann die Antagonisten besprochen.

 

Agonisten als Impfstoffadjuvans

 

Aufgrund der Mittlerfunktion zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem kann die Aktivierung von TLRs synergistische Wirkungen vermitteln. Dies wird zum Beispiel beim Einsatz von TLR-Liganden als Impfstoffadjuvantien genutzt (4). Die gleichzeitige Verabreichung des Antigens mit TLR-Agonisten kann die Immunantwort deutlich verbessern. Besonders die direkte Kopplung des Antigens an einen TLR-Liganden scheint Vorteile gegenüber traditionellen Adjuvantien zu besitzen.

 

Zwei TLR4-Liganden sind als Adjuvantien für Hepatitis-B-Impfstoffe bereits im Einsatz. Sowohl das in Europa zugelassene Fendrix® als auch das in Argentinien zugelassene Supervax® enthalten zusätzlich zum HBV-Antigen dem LPS verwandte Strukturen zur TLR4-Stimulation. So wird bereits nach zwei Injektionen ein ausreichender Impfschutz erzielt, wofür mit traditionellen Alaun-basierten Adjuvantien drei Injektionen erforderlich sind.

 

Zahlreiche Untersuchungen belegen effiziente Adjuvans-Wirkungen auch für ISS als TLR9-Agonisten. Hier greift man auf Sequenzen zurück, die vor allem eine B-Zell-Aktivierung vermitteln. Kombiniert man diese mit konventionellen HBV-Antigenen, so ist die in älteren Personen stark eingeschränkte Immunantwort deutlich stärker. Das Coley-Präparat CpG-ODN 1018 (Heplisav®) befindet sich unter der Regie von Dynavax in der letzten Phase der klinischen Prüfung.

 

Agonisten für die TLR-Subtypen 4, 5, 7, 8 und 9 befinden sich in unterschiedlichen Stadien der Testung als Adjuvantien für Impfstoffe gegen virale und bakterielle Infektionskrankheiten wie Influenza, Anthrax oder HIV. Deren Effizienz scheint durch die richtige galenische Formulierung zu steigen. Dies trifft insbesondere für Mikropartikel und Lipidemulsionen zu (2).

 

Neben der Impfung gegen Infektionskrankheiten werden TLR-Agonisten auch als Adjuvantien zur Immunisierung gegen Krebs getestet. Man kombiniert TLR9-Aktivatoren mit Chemotherapeutika. Letztere töten Tumorzellen direkt ab und setzen dabei tumorspezifische Antigene frei. Die TLR-Bindung löst gleichzeitig eine spezifische zytotoxische Reaktion des Immunsystems aus. Diese umfasst eine Aktivierung dendritischer Zellen und stärkt die durch Chemotherapie unterdrückte regulatorische T-Zell-Antwort.

 

Das von Coley Pharmaceutical entwickelte Phosphorothioat-modifizierte CpG-ODN 7909 wurde von der Firma Pfizer unter dem Namen PF-3512676 (ProMune®) für eine Summe von fast einer halben Milliarde US-Dollar lizensiert. Eine Phase-II-Studie bei Patienten mit nicht-kleinzelligem Bronchialkarzinom, in der die Substanz in Kombination mit Chemotherapeutika mit der alleinigen Chemotherapie verglichen wurde, ergab zunächst recht klare Befunde. Die mit dem TLR9-Agonisten behandelten Patienten überlebten durchschnittlich fast zwölf Monate im Vergleich zu 6,8 Monaten im Kontrollkollektiv.

 

Mehrere klinische Phase-II- und -III-Studien für weitere Indikationen scheinen diese positiven Befunde jedoch nicht durchgängig zu bestätigen. Im Juni 2007 kündigte Pfizer aufgrund wenig Erfolg versprechender Zwischenergebnisse den Ausstieg aus der Entwicklung von PF-3512676 für das nicht-kleinzellige Bronchialkarzinom an. Die Substanz wird jedoch weiter erprobt zum kombinierten Einsatz bei anderen Tumorarten.

 

Neben der Kombination von TLR-Agonisten mit Chemotherapeutika ist auch ihre Kombination mit zytotoxischen Antikörpern erfolgversprechend, denn dadurch steigen Th1- und CD8-Antwort. Außerdem kann man damit TLR-exprimierende Tumoren gezielt erreichen (Drug targeting). Auch hier bilden TLR9-Agonisten die Vorreiter (2, 4).

 

TLR-7-Ligand gegen Hautkrebs

 

Neben dem synergistischen Einsatz von TLR-Agonisten können die Substanzen auch alleine eingesetzt werden. Ein Beispiel ist eine bereits etablierte Therapie gegen Hautkrebs.

 

Ursprünglich zur Behandlung von Feigwarzen, das heißt bei einer viralen Erkrankung zugelassen, wird ein TLR7-Ligand, das Imidazochinolin Imiquimod (Aldara®), erfolgreich auch bei Basalzellkarzinomen (»Heller Hautkrebs«) eingesetzt. So kann oftmals eine operative Entfernung des Tumors vermieden werden (siehe auch Hautkrebs: Schonende Therapieverfahren im Trend, PZ 10/2007). Die Wirkungsweise des »Immune response modifiers« beruht darauf, dass in den Immunzellen, die den Tumor umgeben, Zytokine und Chemokine induziert werden, die weitere Immunzellen anlocken und aktivieren und letztendlich die Tumorzellen in die Apoptose treiben. Die vorwiegend lokalen Nebenwirkungen wie Erytheme, Juckreiz und Hautreizungen lassen sich durch die vermehrt gebildeten Zytokine erklären.

 

Ein ähnliches Wirkprinzip wie Imiquimod und große strukturelle Ähnlichkeit hat R848/Resiquimod, das neben TLR7 auch TLR8 aktiviert. Die noch nicht zugelassene Substanz wird unter anderem zur Behandlung der Hepatitis C getestet. Derzeit konzentrieren sich mehrere Unternehmen auf die Entdeckung von TLR7- und TLR8-Agonisten.

 

Zahlreiche experimentelle Daten belegen, dass TLR-Agonisten bei Injektion, Inhalation oder peroraler Verabreichung vor verschiedenen viralen, bakteriellen und sogar parasitären Pathogenen schützen können. Das Anwendungsgebiet reicht von Hepatitis C und Herpes über Ebola und Listeriose bis hin zur Influenza (4). Ob diese Stoffe Einzug in die Therapie halten werden, wird die klinische Prüfung zeigen.

 

Hilfe bei Allergie und Asthma

 

Personen, die unter Allergien und Asthma leiden, zeigen eine überschießende Aktivität von Th2-Lymphozyten, die sich als entzündliche Reaktion bemerkbar macht (2, und Asthmatherapie: Wo die Forschung hingeht, PZ 31/2007). Die gezielte Induktion einer Th1-Antwort kann der Th2-Reaktion entgegensteuern und die Symptome mildern. Hier kann man die Fähigkeit vor allem von TLR9-Agonisten zur spezifischen Induktion einer Th1-Antwort therapeutisch nutzen. Dies geschieht bei der allergischen Rhinitis, bei der eine Überempfindlichkeit gegen spezifische einzelne Antigene vorliegt, durch Gabe von CpG-ODN, die kovalent an Antigene gebunden sind.

 

Anders verhält es sich bei Asthma: Hier reicht die alleinige Inhalation von CpG-ODN für eine Symptomverbesserung aus. Am besten untersucht ist Coleys CpG-ODN ISS 1018. Dessen Wirksamkeit wurde in einer ersten Phase-II-Studie am Menschen belegt. Mechanistisch scheint die Induktion eines spezifischen Th1-Zytokinmusters (IFN-α und -γ, IL12) für die Effekte verantwortlich zu sein. Gleichzeitig werden weniger Th2-Zytokine produziert. Da TLR9-Agonisten auch vor viralen Erkrankungen schützen können, werden gleichzeitig virale Exazerbationen des Asthmas kontrolliert.

 

Das von Sanofi-Aventis lizensierte Coley CpG-ODN AVE0675 befindet sich in der Phase-I-Sicherheitsprüfung und soll für das Indikationsgebiet Asthma zugelassen werden.

 

TLR-Antagonisten im Einsatz

 

Lange Zeit konzentrierten sich die Forscher auf die Suche nach TLR-Agonisten. Doch eine zu starke TLR-Aktivierung kann auch krank machen.

 

Die in Entwicklung befindlichen TLR-Antagonisten sind häufig Strukturanaloga zu natürlichen Liganden, die wahrscheinlich an die Rezeptoren binden, ohne eine Signaltransduktion auszulösen. Eine andere Möglichkeit, die Aktivierung von TLRs zu unterbinden, ist der Einsatz von Anti-TLR-Antikörpern. Diese eignen sich jedoch nur zur Antagonisierung von TLRs mit extrazellulärer Bindungsdomäne. Künftig wird sich das Interesse vermehrt auf kleine Moleküle aus Substanzbibliotheken richten, die entweder direkt mit den Rezeptoren interagieren oder die Signalweiterleitung oder die Expression der Rezeptoren beeinflussen.

 

Gegen Sepsis und Colitis

 

Aufgrund der gravierenden Rolle, die LPS als Initiator septischer Reaktionen spielt, stellt die Sepsis ein naheliegendes Einsatzgebiet von TLR4-Antagonisten dar. Die bisher erfolgreichsten Antagonisten, das Lipid-A-Derivat Eritoran® (E5564) und das Cyclohexen-Derivat TAK-242, ein Inhibitor der TLR4-Signaltransduktion, befinden sich in Phase III der klinischen Prüfung. Weitere Inhibitoren, darunter das Benzisothiazolderivat M62812, sind in der Entwicklung.

 

Der Darm hat besondere Fähigkeiten entwickelt, die Balance zwischen der Toleranz gegenüber den physiologisch im Darm persistierenden Mikroorganismen und einer adäquaten Immunantwort bei einer Infektion sicherzustellen. Für die Integrität des intestinalen Epithels scheint ein gewisses Maß an TLR-Aktivierung erforderlich zu sein (2). Bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen entgleist diese Balance jedoch in Richtung einer zu starken Aktivierung. Experimente an Mäuse-Modellen zeigen, dass Antagonisten für TLR4 wie das Lipid-A-Mimetikum CRX-526 die Symptomatik einer experimentellen Colitis deutlich verbessern können (12). Weitere TLR-Antagonisten sind in klinischer Erprobung bei verschiedenen entzündlichen Erkrankungen wie der allergischen Rhinitis.

 

Hilfe bei Autoimmunerkrankungen

 

Von Autoimmunerkrankungen spricht man, wenn sich der Körper gegen körpereigene Komponenten richtet. Gemeint ist meist eine Reaktion von Antikörpern auf körpereigene Proteine, sogenannte Autoantigene. Doch vermutlich kann auch das angeborene Immunsystem körpereigene Substanzen fälschlicherweise als »fremd« erkennen.

 

Für die meisten TLRs (bis auf TLR5 und TLR10) wurden endogene Liganden identifiziert. Obwohl einige aufgrund möglicher Kontaminationen umstritten sind, so gelten andere als gesichert. Diese Liganden werden nur beim Zelluntergang freigesetzt und kommen in Kontakt mit den TLRs der umliegenden Zellen. Dies trifft sowohl für einzelsträngige RNA als TLR7-Liganden wie auch für die DNA körpereigener Zellen zu, die durch Bindung von Autoantikörpern auch TLR9 aktivieren kann. Die TLR-Aktivierung kann zu einem Teufelskreis aus TLR-induzierten Effektormechanismen mit zytotoxischen Reaktionen und daraus resultierender Freisetzung weiterer endogener Liganden führen.

 

Ein Krankheitsbild, bei dem diese Reaktion besonders zu beobachten ist, ist systemischer Lupus erythematodes (Schmetterlingsflechte). In Tiermodellen können Antagonisten einer TLR7- oder TLR9-Aktivierung die Symptome eines Lupus mildern. Die Befunde müssen noch am Menschen überprüft werden.

 

Kardiovaskuläre Erkrankungen

 

Vielen Herz-Kreislauf-Erkrankungen liegt ein zunächst unbemerkter chronischer Prozess zugrunde, die Arteriosklerose. Initiale Reize wie ein erhöhter Blutdruck können die schützende Endothelzellschicht, die die Gefäßwand auskleidet, schädigen, was zu einer gesteigerten Durchlässigkeit und zum Beginn der Gefäßveränderungen führt. Verschiedene Komponenten des angeborenen und des erworbenen Immunsystems leiten einen Entzündungsprozess ein, der maßgeblich zur Arterioskleroseprogression beiträgt (13). Hierbei spielen insbesondere TLR2 und TLR4 eine wichtige Rolle (14, 15).

 

So haben Mäuse, die keinen TLR4 bilden, ein deutlich verringertes Arterioskleroserisiko. Diese Daten werden durch die Beobachtung bestätigt, dass Personen mit einem eingeschränkt funktionsfähigen TLR4-Gen ein geringeres kardiovaskuläres Risiko und niedrigere Spiegel an inflammatorischen Zytokinen haben (16).

 

Auch TLR2 scheint an der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen beteiligt zu sein. In humanen arteriosklerotischen Plaques wurde eine erhöhte Expression von TLR2 und seinem Co-Rezeptor TLR1 nachgewiesen. Experimente an Mäusen und an Humangefäßen zeigen, dass eine TLR2-Aktivierung zur Induktion inflammatorischer Zytokine und zur Ausbildung einer arteriosklerotischen Plaque führen kann. Tiere, denen das Gen für TLR2 fehlt, haben deutlich weniger arteriosklerotische Läsionen als Kontrolltiere. Zudem ist TLR2 für die Neointima-Bildung nach Gefäßschädigung nötig (17) und wesentlich an der Ausbildung post-ischämischer Schäden im Gehirn (18) und in den Koronargefäßen (19) beteiligt.

 

Wie bereits erwähnt, fungieren sowohl TLR1 als auch TLR6 als Co-Rezeptoren für TLR2 und sind für die Erkennung bakterieller Lipopeptide verantwortlich (20). Wichtig für TLR2-vermittelte Signalwege in Makrophagen ist aber auch CD36. Dies ist sehr interessant, da CD36 lange nur als Rezeptor für Fettsäuren und oxidiertes LDL bekannt war (21). Somit scheint ein direkter Zusammenhang zwischen TLR-Aktivierung und (Lipid)-Stoffwechsel zu bestehen, der dadurch untermauert wird, dass oxidiertes LDL TLR4 aktivieren kann (22) und TLR4 an der Ausbildung einer Insulinresistenz beteiligt ist (23).

 

Insgesamt weisen viele In-vivo-Untersuchungen auf eine klinisch relevante Beteiligung von TLRs an der Entstehung und Progression kardiovaskulärer Erkrankungen hin. Forscher haben daher großes Interesse, Antagonisten der TLR-Aktivierung zu finden und als antiatherosklerotische Pharmaka einzusetzen (24).

 

Bisher ist jedoch kaum bekannt, wie die TLR-Expression in den Gefäßen reguliert wird, wie sie erhöht wird und wie dieser Prozess beeinflusst werden könnte. Unsere eigenen Arbeiten zeigen, dass atherogene Mediatoren die Expression von TLR2 und seinen Co-Rezeptoren TLR1 und -6 in Endothelzellen induzieren (nicht veröffentlicht). Unser Forschungsinteresse richtet sich auf die Aufklärung der Mechanismen, die dieser Induktion zugrunde liegen.

 

Interessanterweise verringern die als HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren und damit als Cholesterolsenker eingesetzten Statine die Expression von TLR2 und TLR4 (25). Dies belegt, dass eine verringerte Expression von TLRs tatsächlich zu einer antiatherogenen Wirkung beitragen könnte.

 

Hemmstoffe des Toll-like-Signalwegs könnten eine wichtige Rolle in der Prävention und Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen übernehmen (15, 26). Die Kenntnis der TLR-Aktivierungsmechanismen ist für das Verständnis der Entzündungsprozesse bei der Arteriosklerose höchst wichtig. Unsere Gruppe verfolgt das Ziel, diese Aktivierungsmechanismen aufzuklären und zur Identifizierung neuer therapeutischer Targets zu nutzen. Dies kann zur Entwicklung neuartiger pharmakologischer Ansätze für Prävention und Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen beitragen.

 

Von den Grundlagen zur Therapie

 

Die bisherigen Forschungen zu TLRs als therapeutische Targets fokussieren stark auf die gezielte Aktivierung einzelner Rezeptortypen. Bei zahlreichen Erkrankungen werden TLRs aber vermehrt exprimiert und aktiviert; hier sind TLR-Inhibitoren gefragt. Um gezielter nach aktivierenden oder inhibierenden Liganden suchen zu können, ist die Aufklärung weiterer Kristallstrukturen und detaillierter Aktivierungsmechanismen nötig.

 

Daneben werden grundlegende Erkenntnisse zur Biologie und Pathobiologie der TLRs möglicherweise zusätzliche innovative therapeutische Ansatzpunkte bieten. So stellt neben der direkten Interaktion mit den TLRs auch deren Expressionsregulation ein bedeutendes Ziel dar.

 

Insgesamt zeigen die Entwicklungen auf dem Gebiet der Toll-like-Rezeptoren einmal mehr, wie Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung die Basis zur Entwicklung innovativer Arzneimittel schaffen. Erkenntnisse, die zunächst ohne bestimmte Zielrichtung, weder auf eine therapeutische Anwendung noch auf ein zuvor bestimmtes Indikationsgebiet, gewonnen wurden, können kreative Wege zur Behandlung schwer therapierbarer Krankheiten eröffnen.


Literatur

  1. Beutler, B., Inferences, questions and possibilities in Toll-like receptor signalling. Nature 430 (2004) 257-263.
  2. Kanzler, H., et al., Therapeutic targeting of innate immunity with Toll-like receptor agonists and antagonists. Nat. Med. 13, Nr. 5 (2007) 552-559.
  3. Hoebe, K., et al., Genetic Analysis of Innate Immunity. Adv. Immunol. 91 (2006) 175-226.
  4. Krieg, A. M., Antiinfective applications of toll-like receptor 9 agonists. Proc. Am. Thorac Soc. Nr. 3 (2007) 289-294.
  5. Tokunaga, T., et al., Antitumor activity of deoxyribonucleic acid fraction from Mycobacterium bovis BCG. I. Isolation, physicochemical characterization, and antitumor activity. J. Natl. Cancer Inst. 72, Nr. 4 (1984) 955-962.
  6. Roberts, T. L., et al., Cutting edge: species-specific TLR9-mediated recognition of CpG and non-CpG phosphorothioate-modified oligonucleotides. J. Immunol. 174, Nr. 2 (2005) 605-608.
  7. Kiemer, A. K., et al., Attenuated activation of macrophage TLR9 by DNA from virulent Mycobacteria. J. Immunol. (2007) in revision.
  8. Magnusson, M., et al., Cutting edge: Natural DNA repetitive extragenic sequences from gram-negative pathogens strongly stimulate TLR9. J. Immunol. 179, Nr. 1 (2007) 31-35.
  9. Heil, F., et al., Species-Specific Recognition of Single-Stranded RNA via Toll-like Receptor 7 and 8. Science 303 (2004) 1526-1529.
  10. Tsan, M. F., Baochong, G., Pathogen-associated molecular pattern contamination as putative endogenous ligands of Toll-like receptors. J. Endotoxin Res. 13, Nr. 1 (2007) 6-14.
  11. Latz, E., et al., Ligand-induced conformational changes allosterically activate Toll-like receptor 9. Nat. Immunol. 8, Nr. 7 (2007) 772-779.
  12. Fort, M. M., et al., A synthetic TLR4 antagonist has anti-inflammatory effects in two murine models of inflammatory bowel disease. J. Immunol. 174, Nr. 10 (2005) 6416-6423.
  13. Hansson, G. K., Mechanisms of disease: Inflammation, atherosclerosis, and coronary artery disease. N. Engl. J. Med. 352, Nr. 16 (2005).
  14. Björkbacka, H., Multiple roles of Toll-like receptor signalling in atherosclerosis. Curr. Opin. Lipidol. 17, Nr. 5 (2006) 527-533.
  15. Frantz, S., Ertl, G., Bauersachs, J., Mechanisms of disease: Toll-like receptors in cardiovascular disease. Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med. 4, Nr. 8 (2007) 444-454.
  16. Cook, D. N., Pisetsky, D. S., Schwartz, D. A., Toll-like receptors in the pathogenesis of human disease. Nat. Immunol. 5, Nr. 10 (2004) 975-979.
  17. Shishido, T., et al., Central role of endogenous Toll-like receptor-2 activation in regulating inflammation, reactive oxygen species production, and subsequent neointimal formation after vascular injury. Biochem. Biophys. Res. Commun. 345, Nr. 4 (2006) 1446-1453.
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Die Autorin

Alexandra K. Kiemer studierte Pharmazie an der LMU München und wurde 1997 am Institut für Pharmakologie, Toxikologie und Pharmazie der Tierärztlichen Fakultät der LMU promoviert. Zwei Jahre war sie als Mitarbeiterin an der Medizinischen Klinik II des Klinikums der Universität München-Großhadern und am Department Pharmazie, Zentrum für Pharmaforschung der LMU München, tätig. Von 2000 bis 2002 arbeitete sie als Stipendiatin des Bayerischen Habilitationsförderpreises in Tokio, an den Universitäten von Florenz und Sydney und am Department of Immunology des Scripps Research Institute (La Jolla, USA). 2003 habilitierte sich Dr. Kiemer in den Fächern Pharmazeutische Biologie und Pharmakologie an der LMU München und wechselte an das Department of Molecular and Experimental Medicine des Scripps Research Institute. Seit 2005 ist sie Professorin für Pharmazeutische Biologie an der Universität des Saarlands. Ihre Forschungsschwerpunkte betreffen molekulare Mechanismen von Entzündungsprozessen.

 

 

Professor Dr. Alexandra K. Kiemer

Universität des Saarlandes

Pharmazeutische Biologie

Postfach 15 11 50

66041 Saarbrücken

pharm.bio.kiemer(at)mx.uni-saarland.de


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Beitrag erschienen in Ausgabe 04/2008

 

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