Pegasys macht es Patienten mit chronischer Hepatitis C leichter

Durch eine Umhüllung widerstandsfähiger gegen enzymatischen Abbau

Bei der Behandlung chronischer Hepatitis C weist das pegylierte Interferon alfa-2a (PEG-INF, Pegasys) bessere Eigenschaften auf als das bislang verwendete, nicht modifizierte Interferon (IFN). Um die zweite Generation dieses Medikamentes herzustellen, wurde ihm ein verzweigtes Polyethylen-Glykol-(PEG) Molekül mit dem durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 43 KiloDalton angehängt. Mit einer solchen Pegylierung konnte in Tiermodellen eine Wirkungssteigerung um das12- bis 135fache gegenüber Viren und um das 18fache gegenüber Tumorzellen erzielt werden. Das Medikament weist nun verglichen mit den früheren 8,5 Stunden eine etwa zehnfach erhöhte Halbwertzeit auf und muss daher anstatt dreimal nur noch einmal wöchentlich injiziert werden. Ausserdem entfallen die vorher auftretenden Schwankungen im Blutserum, was ebenfalls zu einer Verbesserung der Ansprechrate beiträgt.

1. Nach der Erstinfektion können Viren den Zellen nichts anhaben

Das Interferon wurde 1957 von zwei in London arbeitenden Wissenschaftlern, dem Briten Alick Isaacs und dem Schweizer Jean Lindemann entdeckt. Beide stiessen auf die Substanz, als sie die Auswirkungen von Virusinfektionen auf Zellen in einer Gewebekultur analysierten. Dabei fiel ihnen auf, dass sich bereits mit einem Virus infizierte Zellen innerhalb eines bestimmten Zeitraumes gegenüber einer weiteren Infizierung durch ein anderes Virus resistent verhielten. Die zweite Infektion „interferierte" (hemmte, überlagerte sich) also mit der ersten. Der aus diesen Zellkulturen isolierte Eiweissstoff, welcher den nicht mit Viren befallenen Zellen fehlte, erhielt daher von den Forschern den Namen Interferon (IFN). Inzwischen ist bekannt, dass es sich bei den Vertretern dieser Stoffe um eine Klasse von Proteinen handelt, die als Teil der natürlichen Immunabwehr von weissen Blutkörperchen im Körper produziert werden, sobald dieser beispielsweise eindringenden Viren, Mikroorganismen oder Tumorzellen ausgesetzt wird.
Sie lassen sich durch ihre Struktur in die drei Gruppen IFN alfa, beta und gamma einteilen. Allein die alfa-Gruppe besteht aus mindestens 15 Subtypen, die sich in ihrer Aminosäuresequenz unterscheiden und durch Schwefel-Doppelbindungen gefaltet sind. Das Interferon alfa-2a ist ein Protein aus 165 Aminosäuren ohne Glukose-Zuckereinheit, das durch zwei Disulfidbrücken in seiner dreidimensionalen Schlaufenstruktur gehalten wird.

2. Interferone setzen Reaktionskaskade in Gang

Infolge der Bindung von Alfa-Interferon an einen spezifischen Rezeptor an der Zelloberfläche können die Konzentrationen von fünfzig bis hundert Proteinen innerhalb der Zelle verändert werden. Einige dieser Eiweisse weisen die Eigenschaft einer Signalmarke oder Zielstruktur für die Abwehrmechanismen des menschlichen Immunsystems auf. Interferone wirken hemmend auf die Zellteilung und Bildung neuer Gefässe. Sie beeinflussen ausserdem die Zellkommunikation und sind an der Zerlegung der unstabilen zellulären Boten-RNA beteiligt, die bei der Vermehrung von Tumorzellen eine wichtige Rolle spielt. Durch die Induktion der Zelldifferenzierung kann der Zellzyklus verändert und die Teilung der sich undifferenziert teilenden Tumorzellen gebremst werden.
Interferon alfa wird deshalb gegen Krebszellen des Haut- oder Immunsystems eingesetzt. Beispiele sind die Anwendung bei Haarzell-Leukämie, chronischer Myeloid-Leukämie, Non Hodgkin-Lymphomen oder malignem Melanom, Nierenzellkarzinom sowie dem durch das HI-Virus verursachten Kaposi`s Sarkom.

Das Medikament bekämpft aber nicht nur Tumorzellen, sondern auch Viren. Beispielsweise ist eines der ersten Proteine, die nach dem Hinzufügen von Interferon alfa-2a auftauchen, das Enzym Oligoadenylat-Synthetase. Es ist befähigt, die Synthese von kleinen Oligonukleotiden zu katalysieren. Daraufhin wird ein weiteres Enzym aktiviert, welche die einsträngige virale RNA abbaut und so die Vermehrung von Viren unterbindet. Sobald IFN sich an einen Zellrezeptor anheftet, werden verschiedene weitere Zellen des Immunsystems dazu angeregt, sich an die Virusfragmente auf der Oberfläche der infizierten Zellen anzulagern und so eine Immunabwehr zu induzieren. Auf diese Weise werden eindringende Viren zerstört und noch nicht infizierte Zellen vor deren Invasion geschützt. Aufgrund dieser Wirkungsmechanismen eignet sich IFN auch zur Behandlung chronischer Hepatitis B und C.

3. Bakterien können Monopräparate produzieren

Lange Zeit war menschliches Blut in einer Grössenordnung von 60.000 Litern erforderlich, um ein Gramm Interferon zu gewinnen. Zur Steigerung der Ausbeuten wird die Substanz inzwischen gentechnisch hergestellt. Bei dieser Methode werden Zellen verwendet, die sich in grossen Mengen kultivieren lassen und ausserdem hohe Konzentrationen an Interferon produzieren. Dazu wurde diejenige DNS-Sequenz isoliert, welche für das gewünschte Protein kodiert und in das genetische Material eines Fremdorganismus eingebaut. Bei der ausgewählten, zu vervielfältigenden Erbinformation handelt es sich um ein menschliches Leukozyten-Interferon-Gen. Der sich rasch vermehrende Mikroorganismus, der die Produktion übernimmt, ist das Bakterium einer nicht pathogenen Escherichia coli-Art. Die durch das eingefügte menschliche Erbgut „rekombinant" gewordenen Bakterien stellen nun ausser ihren eigenen Proteinen auch das menschliche Interferon her. Auf diese Weise kann ein gereinigtes Monopräparat mit dem gewünschtem Interferon-Subtypus alfa-2a erhalten werden. In mehreren Chromatographie- und Filtrations-Schritten wird das Produkt auf eine Reinheit von 99 Prozent gebracht. Das erste genrekombinante Interferon alfa-2a von Roche (Roferon A®) wurde im Juni 1986 in den USA und in der Schweiz zur Behandlung von Haarzellenleukämie zugelassen. Das Herstellungsverfahren selbst geht auf Sidney Pestka und seine Mitarbeiter vom Roche-Institut für Molekularbiologie zurück.

4. In vielen Fällen kann die Leber vor weiterem Schaden bewahrt werden

Für die Behandlung der chronischen Hepatitis C empfehlen die schweizerischen Fachgesellschaften eine Therapie mit 3-6 Millionen internationalen Einheiten (MIU) Interferon alfa, welche dreimal pro Woche während einer Gesamttherapiedauer von 12 Monaten unter die Haut (subcutan, s.c.) gespritzt werden; gegen chronische Hepatitis B sind es dreimal pro Woche 6 bis 8 MIU s.c. während 4 Monaten.
Der Umfang der Interferon-Antwort wird weitgehend durch das infizierende Virus, aber auch durch die jeweils befallene Zellen bestimmt. Der Response wird definiert als Normalisierung der Konzentration des Enzyms Alanin-Aminotransferase, das vereinfacht gesagt, den Grad der Leberzellschädigung anzeigt, und dem Verschwinden der RNA des Hepatitis C-Virus unter die Nachweisgrenze.
Interferon verursacht in etlichen Fällen Nebenwirkungen. Sie reichen von Übelkeit und Appetitverlust bis zu grippeähnlichen Symptomen einschliesslich Fieber, Kopfschmerzen, Schüttelfrost und Muskelschmerzen. Vielfach kommt es zur Veränderung des Blutbildes und zu Haarausfall, der jedoch aufhört, sobald die Therapie beendet ist. Die Symptome verringern sich meistens im Laufe der Behandlung. Es können allerdings auch Autoimmunkrankheiten zum Ausbruch kommen und Depressionen entstehen, die in seltenen Fällen zum Selbstmord geführt haben.
Ein Patient mit guten Aussichten auf Heilung ist idealerweise jung, schlank, erst seit kurzer Zeit infiziert, weist eine niedrige Konzentration an Viren im Körper auf, eine geringe oder gar keine Zellschädigung bei der Leberbiopsie und einen Virus mit einem bevorzugten Genotyp. Ein derartiges Profil passt jedoch nur auf 10 bis 20 Prozent der Patienten.

5. Eine Pegylierung verbessert die Moleküleigenschaften

Um die Wirksamkeit des Therapeutikums zu steigern, wurde das Interferon alfa-2a schliesslich pegyliert. Durch eine mit Polyethylen-Glykolen (PEGs) erzielte Neuordnung der Molekülstruktur lassen sich nämlich auch die molekularen Eigenschaften eines Medikamentes verändern. PEGs sind nicht toxisch und weisen die Eigenschaft der Amphophilie auf, was bedeutet, dass sie sowohl in Wasser als auch in den meisten organischen Lösungsmitteln löslich sind.
Eine Proteinpegylierung wird zu einem Grossteil durch stabile, kovalente Bindungen zwischen einer Amino- oder auch Sulfhydrylgruppe am Protein und einer chemisch reaktiven Gruppe (Karbonat, Ester, Aldehyd oder Tresylat) auf dem PEG herbeigeführt. Die entstehenden Strukturen können linear oder verzweigt sein. Die Reaktion kann durch Faktoren wie Proteinart und -konzentration als auch Reaktionszeit, Temperatur, pH-Wert gezielt gesteuert werden. Solche Umweltfaktoren nehmen ebenfalls Einfluss auf die elektrostatischen Bindungseigenschaften, die Proteinladung samt Form und Grösse. Daher müssen für jedes therapeutische Molekül auch die passenden PEGs ermittelt werden.

Die Pegylierung stellt eine Methode dar, die vor allem therapeutische Proteine, die intravenös gegeben werden, so verändern kann, dass deren Stabilität, Halbwertszeit in den biologischen Zellsystemen, Wasserlöslichkeit und immunologischen Eigenschaften verbessert werden. Eine PEG-Masse von etwa 40 bis 50 KiloDalton genügt, um kleine Moleküle so zu vergrössern, dass sie sich nicht mehr so leicht aus dem Nierengewebes herausfiltrieren lassen und damit länger im Körper verbleiben. Ausserdem werden pegylierte Proteine, die sozusagen von den angehängten PEGs umhüllt sind, nicht mehr so schnell durch körpereigene Enzyme abgebaut wie unveränderte Substanzen.
Mit Hilfe dieser Veränderungen ist es möglich, eine längere Bioverfügbarkeit und verbesserte Wirksamkeit der Medikamente im Körper zu erreichen, so dass ein Patient daraufhin eventuell eine geringere Anzahl von Injektionen benötigt. Die molekularen Modifikationen sorgen auch dafür, dass die Immunabwehr die Interferon-Moleküle nicht so rasch und intensiv bekämpfen.
Nahezu jedes Molekül kann derartig modifiziert werden. Nicht nur therapeutische Proteine und Peptide wie Wachstumsfaktoren oder Blutderivate in der Medizin werden pegyliert, sondern wegen der Unbedenklichkeit der Methode beispielsweise auch in Nahrungsmitteln oder Kosmetika eingesetzte Liposomen. Auf diese Weise kommt der Mensch prinzipiell täglich mit PEGs in Kontakt.

3-D Struktur Interferon