Therapeutische Viren zur Behandlung von Krebs und Gendefekten

Grundvoraussetzung der Virus-basierten Tumortherapie, auch onkolytische Virotherapie genannt, ist, dass Viren Tumorzellen spezifisch erkennen, sich anschließend in ihnen vermehren, sie sogar abtöten und dabei gleichzeitig Tumorzell-assoziierte Antigene freisetzen können. Diese Virus-Aktivitäten führen insgesamt zu einer Entzündungsreaktion im immunsupprimierten Tumormilieu und letztlich zu einer multimodalen Stimulation des Immunsystems sowie einer systemischen Tumorvakzinierung. Hervorzuheben ist hier neben der großen Wirksamkeit die gute Verträglichkeit dieser Therapieform.

Bei den gentherapeutischen Viren steht deren Möglichkeit, therapeutische Gene im Huckepack in kranke Zellen einzuschleusen und sie dort sogar stabil zu verankern, im Vordergrund. Damit können genetische Defekte nachhaltig gelindert oder sogar geheilt werden.

Individualisierungsstrategien für die onkolytische Virotherapie im Rahmen der Präzisionsmedizin beruhen auf der Möglichkeit des gezielten Virus-Engineering. Beim Virus-Engineering können Viren beispielsweise so modifiziert werden, dass sie selektiv Tumorzellen infizieren, indem sie an nur von Tumorgewebe exprimierte Oberflächenmoleküle binden oder im Rahmen der Infektion eine speziell auf den Tumor zugeschnittene therapeutische Fracht in die Zelle einbringen. Durch Kombination dieser angepassten Viren mit weiteren Therapieformen wie therapeutischen Antikörpern, Zell- oder Radiotherapie werden Behandlungsschemata ermöglicht, die spezifisch auf jeden Tumortyp zugeschnitten sind und höchstmögliche Wirkung erzielen können.

Trotz ihres großen Potenzials sind bis heute jedoch nur acht Virus-basierte Therapien großflächiger − das heißt sowohl durch die zuständigen Arzneimittelbehörden, die europäische EMA als auch die amerikanische FDA − zugelassen. Unter diesen acht Wirkstoffen befindet sich nur einer für die onkolytische Virotherapie, dem gegenüber standen im Februar 2024 aber 93 registrierte klinische Studien für die Virus-basierte Krebsbehandlung. Verglichen mit anderen etablierteren Therapieformen wie kleinen Molekülen oder monoklonalen Antikörpern steckt die erfolgreiche klinische Anwendung Virus-basierter Therapeutika also noch in den Kinderschuhen. Dies ist unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass sich Viren von den meisten etablierten Wirkstoffen durch eine komplexere Struktur und Zusammensetzung sowie Funktionsweise unterscheiden. Dies erfordert optimierte biotechnologische Prozesse, die den gesamten pharmazeutischen Entwicklungs- und Herstellungsprozess umfassen.

Genau hier setzt die Förderung des Landes Baden-Württemberg zum Aufbau der neuen Außenstelle des Fraunhofer IGB in Biberach an der Riß an: Wie der Name Virus-basierte Therapien verrät, fokussiert diese neue Forschungseinheit auf die biotechnologische Entwicklung von Virus-basierten Therapeutika mit den Bereichen Virus-, Zell- und Prozesstechnologien. Aufbau und Start der Außenstelle in Biberach wurden dabei maßgeblich von den etablierten Kompetenzen und Infrastrukturen am Hauptsitz des Fraunhofer IGB in Stuttgart unterstützt.

Im Bereich der Virustechnologien liegt der Hauptfokus der Arbeiten an beiden Standorten im molekularen Virus-Engineering, also der gezielten Modifikation von Virusgenomen, um damit Entwicklungen zur höheren Effizienz und Aktivität von onkolytischen Viren anzustoßen. Ein wichtiger Grundstein der Arbeiten bildet die zuvor entwickelte Fraunhofer-eigene Plattformtechnologie TheraVision, welche als modulare Vektortechnologie zur Herstellung und Testung von Viren für die Tumortherapie konzipiert wurde und auf dem Herpes Simplex Virus 1 (HSV-1) aufbaut.

Beim Virus-Engineering kommt uns besonders das modulare Prinzip der TheraVision-Plattform zugute, was eine schnelle gentechnische Manipulation des zugrundeliegenden komplexen Herpesvirus erlaubt. Vor kurzem wurden damit sogenannte Reporterviren hergestellt, die nach der Infektion fluoreszierende Proteine exprimieren und es deshalb ermöglichen, den Infektionsverlauf in den befallenen Zellen in Echtzeit zu verfolgen.

Neben diesen HSV-1-basierten Entwicklungen werden im Bereich Virus-Technologien weitere therapeutisch relevante Vektorsysteme wie dem Vesikulären Stomatitisvirus und dem Adenovirus etabliert. Die Nutzung dieser verschiedenen viralen Vektorsysteme erlaubt komplementäre Untersuchungen zu Struktur-Funktionsbeziehungen der zugrundeliegenden Virusspezies, um Erkenntnisse zu deren therapeutischer Sicherheit, Spezifität, Wirksamkeit und Stabilität zu erhalten.

Entwicklungen aus dem Bereich Virus-Technologien wie die fluoreszierenden Reporterviren werden in Zukunft auch komplementär in der Sparte Zelltechnologien eingesetzt. Ein Schwerpunkt dieses Bereiches liegt im Zelllinien-Engineering, mit dem Ziel gängige Produktionszellen so zu verändern, dass die Ausbeute an funktionellen Viren für den therapeutischen Einsatz erhöht wird. Für immunonkologische Anwendungen werden nämlich um vielfach höhere Virusdosen als bei klassischen Impfungen benötigt, was gerade eine der größten Hinderungsgründe für eine noch stärkere therapeutische Anwendung bildet. Innovative Methoden wie die CRISPR/CAS-Technologie ermöglichen dabei die gezielte Modifikation des Zellmetabolismus, der Apoptoseprozesse, der Zellteilung oder der antiviralen angeborenen Immunantwort, um die Produktionszelllinie resistenter gegen Virus-induzierte Stressreaktionen zu machen. Fluoreszierende Viren erlauben hier ein direktes At-line-Monitoring der verbesserten Produktionsleistung der CRISPR/CAS-modifizierten Zelllinien.

Darüber hinaus können unsere Reporterviren auch zur präklinischen Effizienztestung genutzt werden, wobei deren Replikationskinetik und Gewebepenetration in komplexen Tumormodellen nachverfolgt wird. Die Verwendung von solchen patientenspezifischen Tumormodellen erlaubt außerdem die Analyse der differenziellen oder synergistischen Antitumor- und immunaktivierenden Effekte des TheraVision-Virus vergleichend mit anderen Virussystemen wie den Vesikulären Stomatitisviren und den Adenoviren. Dadurch können Faktoren identifiziert werden, die die individuelle Wirksamkeit der onkolytischen Immuntherapie beeinflussen. 

Komplementiert werden diese Arbeiten im Bereich Zell- und Virus-Technologie durch Verfahren der Prozesstechnologie wie Prozessentwicklung, -analytik und -skalierung. Im Downstream Processing etwa stehen chromatographische Bioseparationsverfahren zur verlustarmen Aufreinigung der verschiedenen therapeutischen Virusklassen oder Kryokonservierungs- und Formulierungsstudien im Vordergrund, um maximale Produktstabilität zu erreichen.