Monoklonale Antikörper: Herstellung und Einsatz

Monoklonale Antikörper sind Antikörper, die alle von derselben Ursprungszelle abstammen und deshalb völlig identisch sind. Jeder von ihnen erkennt genau dieselbe Stelle, das Epitop, auf einem Zielmolekül. Hergestellt wurden sie zuerst mit der 1975 beschriebenen Hybridomtechnik, heute überwiegend rekombinant in Zellkulturen. Sie stecken in Labortests und Schnelltests ebenso wie in zahlreichen modernen Arzneimitteln.

Was ein Antikörper ist

Antikörper sind Proteine des Immunsystems, die von B-Zellen gebildet werden. Ein typischer Antikörper vom Typ IgG hat eine Y-Form, ist etwa 10 bis 15 Nanometer groß und besteht aus zwei schweren und zwei leichten Ketten. An den Spitzen der beiden Arme sitzen die variablen Regionen, die das Antigen binden. Der Stamm, die Fc-Region, vermittelt die Kommunikation mit anderen Teilen des Immunsystems.

Jede B-Zelle bildet nur eine Sorte Antikörper. Nach einer Infektion oder Impfung vermehren sich viele verschiedene B-Zellen, ihre Antikörper erkennen unterschiedliche Stellen des Erregers. Das Ergebnis im Blut ist ein polyklonales Gemisch. Ein monoklonaler Antikörper ist dagegen das Produkt eines einzigen Klons.

Die Hybridomtechnik

Das Problem vor 1975: Antikörperbildende B-Zellen lassen sich außerhalb des Körpers kaum vermehren, sie sterben nach kurzer Zeit. Georges Köhler und César Milstein lösten es, indem sie B-Zellen mit Krebszellen des Immunsystems, sogenannten Myelomzellen, verschmolzen. Die entstehende Hybridzelle, das Hybridom, vereint die Antikörperbildung der B-Zelle mit der unbegrenzten Teilungsfähigkeit der Krebszelle. Für diese Arbeit erhielten sie 1984 gemeinsam mit Niels Jerne den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Der Ablauf in vereinfachten Schritten:

1. Immunisierung: Eine Maus wird mit dem Zielantigen immunisiert und bildet Antikörper dagegen.
2. Gewinnung der B-Zellen: Aus der Milz werden antikörperbildende Zellen entnommen.
3. Fusion: B-Zellen und Myelomzellen werden, zum Beispiel mit Polyethylenglykol, zur Verschmelzung gebracht.
4. Selektion: In einem speziellen Nährmedium, dem HAT-Medium, sterben unverschmolzene Myelomzellen ab, unverschmolzene B-Zellen gehen ohnehin zugrunde. Nur Hybridome überleben.
5. Screening: Die Kulturüberstände werden getestet, häufig per ELISA, ob sie den gewünschten Antikörper enthalten.
6. Klonierung: Positive Kulturen werden so stark verdünnt, dass aus einer einzelnen Zelle eine neue Kultur wächst. Erst damit ist der Antikörper wirklich monoklonal.
7. Produktion: Der ausgewählte Klon wird vermehrt und der Antikörper aus dem Kulturmedium gereinigt.

Grenzen der Hybridomtechnik

Die Methode ist bis heute im Einsatz, hat aber Schwächen. Hybridome können im Lauf der Zeit instabil werden und die Antikörperbildung verlieren. Die Fusion ist wenig effizient, das Screening vieler Klone aufwendig. Zudem ist man auf die Immunantwort des Tieres angewiesen: Moleküle, die dem eigenen Körper der Maus sehr ähnlich sind, lösen oft kaum eine Antwort aus. Viele Labore sichern deshalb die Gensequenz eines wertvollen Antikörpers und stellen ihn anschließend rekombinant her.

Vom Maus-Antikörper zum menschlichen Antikörper

Für die Diagnostik sind Maus-Antikörper bis heute Standard. Als Arzneimittel hatten sie jedoch einen Nachteil: Das menschliche Immunsystem erkennt sie als fremd und bildet Antikörper gegen sie, was die Wirkung verringert und Nebenwirkungen auslösen kann. Die Gentechnik ermöglichte schrittweise Annäherungen an menschliche Antikörper:

• Chimäre Antikörper: Die variablen Regionen stammen aus der Maus, der Rest ist menschlich.
• Humanisierte Antikörper: Nur noch die eigentlichen Bindeschleifen stammen aus der Maus, eingebettet in ein menschliches Gerüst.
• Vollständig humane Antikörper: Sie werden aus menschlichen Antikörperbibliotheken ausgewählt oder in Mäusen erzeugt, deren Antikörpergene durch menschliche ersetzt wurden.

Rekombinante Herstellung und Phagen-Display

Heute werden die meisten monoklonalen Antikörper rekombinant hergestellt. Man kennt die Gensequenz des Antikörpers, bringt sie in eine Produktionszelllinie ein und lässt diese den Antikörper bilden. Für Arzneimittel werden vor allem Säugetierzellen verwendet, häufig CHO-Zellen, weil sie die Antikörper mit passenden Zuckerseitenketten versehen.

Neue Antikörper lassen sich auch ganz ohne Tier finden. Beim Phagen-Display werden riesige Bibliotheken von Antikörperfragmenten auf der Oberfläche von Bakterienviren präsentiert. In mehreren Runden werden die Viren herausgefischt, die an das Zielmolekül binden. Für die Entwicklung dieses Verfahrens und seine Anwendung auf Antikörper ging 2018 ein Teil des Nobelpreises für Chemie an George Smith und Gregory Winter. Weitere Methoden isolieren Antikörpergene direkt aus einzelnen B-Zellen von Menschen, die eine Infektion durchgemacht haben.

Eine verwandte Entwicklung sind deutlich kleinere Antikörperformate, etwa die aus Kamelartigen stammenden Einzeldomänen-Antikörper. Was sie auszeichnet, erklärt der Artikel über Nanobodies.

Einsatz in der Diagnostik

In der Labormedizin und Forschung sind monoklonale Antikörper unverzichtbar:

• Immunassays wie ELISA und automatisierte Chemilumineszenz-Tests nutzen Antikörperpaare, um Hormone, Tumormarker oder Infektionsmarker zu messen.
• Schnelltests tragen monoklonale Antikörper auf Gold-Nanopartikeln und an der Testlinie.
• Immunhistochemie macht bestimmte Proteine in Gewebeschnitten sichtbar und hilft zum Beispiel bei der Einordnung von Tumoren.
• Durchflusszytometrie zählt und sortiert Zellen anhand fluoreszenzmarkierter Antikörper gegen Oberflächenmerkmale.

Einsatz als Arzneimittel

Monoklonale Antikörper gehören heute zu den wichtigsten Wirkstoffklassen der Medizin. Sie werden unter anderem eingesetzt bei verschiedenen Krebserkrankungen, bei Autoimmun- und entzündlichen Erkrankungen wie rheumatoider Arthritis oder chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, bei Migräne, Osteoporose und bestimmten Infektionen. Ihre Wirkweisen sind vielfältig: Sie blockieren Signalmoleküle oder Rezeptoren, markieren Zellen für das Immunsystem oder lösen die Bremsen des Immunsystems gegen Tumoren.

Weiterentwicklungen erweitern das Prinzip:

• Antikörper-Wirkstoff-Konjugate koppeln ein starkes Zellgift an einen Antikörper, der es zu bestimmten Zellen bringt.
• Bispezifische Antikörper binden gleichzeitig zwei verschiedene Ziele, etwa eine Tumorzelle und eine Immunzelle.
• Antikörper an Nanopartikeln werden in der Forschung genutzt, um Partikel gezielt zu bestimmten Zellen zu lenken. Mehr dazu auf der Seite Nanomedizin.

Welche Antikörper für welche Erkrankung zugelassen sind, entscheiden die Arzneimittelbehörden. Ob ein solches Medikament infrage kommt, ist immer eine ärztliche Entscheidung.

Antikörper und Nanopartikel

Für die Nanobiotechnologie sind monoklonale Antikörper vor allem als Erkennungselement interessant. Gekoppelt an Gold-Nanopartikel bilden sie das Signalreagenz von Schnelltests, an magnetischen Partikeln fischen sie Zellen oder Moleküle aus Proben, auf Sensoroberflächen fangen sie das Zielmolekül ein. Entscheidend ist dabei die Orientierung: Ein Antikörper bindet nur dann zuverlässig, wenn seine Bindestellen nach außen zeigen und nicht zur Partikeloberfläche.

Dafür gibt es mehrere Strategien. Bakterielle Proteine wie Protein A oder Protein G binden die Fc-Region und richten Antikörper aus. Die Zuckerseitenketten an der Fc-Region lassen sich gezielt chemisch ansteuern. Rekombinante Antikörper können mit einer zusätzlichen Kopplungsstelle hergestellt werden, die weit von der Bindestelle entfernt liegt. Die Grundlagen dieser Kopplungschemie beschreibt die Seite Biokonjugation.

Herausforderungen

Antikörper sind große, empfindliche Proteine. Ihre Herstellung ist aufwendig und teuer, sie müssen gekühlt gelagert und meist gespritzt oder als Infusion gegeben werden, weil sie im Magen abgebaut würden. Kleine Änderungen im Produktionsprozess können Eigenschaften verändern, weshalb Hersteller den Prozess streng überwachen. Nachahmerprodukte heißen Biosimilars und müssen ihre Vergleichbarkeit mit dem Original in einem eigenen Zulassungsverfahren belegen.

Zusammenfassung

Monoklonale Antikörper sind identische Kopien eines einzigen Antikörpers. Die Hybridomtechnik machte sie 1975 erstmals verfügbar, Gentechnik und Zellkultur machten sie zu einem Werkzeug der Industrie. In der Diagnostik sorgen sie für reproduzierbare Tests, in der Medizin für gezielt wirkende Arzneimittel. Die biotechnologischen Grundlagen ihrer Herstellung erklärt die Seite Biotechnologie, die immunologischen Zusammenhänge die Übersicht Nanotechnologie und Immunologie.