Biologika und neue Therapieprinzipien

Biologika

Biologika sind biotechnologisch hergestellte Protein-Arzneistoffe: rekombinante Proteine, monoklonale Antikörper und Fusionsproteine. Im Kern geht es um den Aufbau des IgG-Antikörpers aus Fab und Fc und die Wirkprinzipien. Dazu kommen die besondere Kinetik über FcRn und zielvermittelte Disposition sowie die Immunogenität.

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  • Definition: Biologika sind biotechnologisch in lebenden Zellen hergestellte Proteine (rekombinante Proteine, monoklonale Antikörper, Fusionsproteine), groß, heterogen und vom Herstellungsprozess abhängig.
  • Aufbau: IgG besteht aus zwei Fab-Fragmenten mit den CDR für die Antigenbindung und einem Fc-Teil, der Fcγ-Rezeptoren, Komplement und FcRn bindet.
  • Wirkprinzipien: Substitution, Neutralisation löslicher Liganden, Rezeptorblockade, Zelldepletion über Fc-Effektorfunktionen und Fusionsproteine als Rezeptorköder.
  • Pharmakokinetik: parenterale Gabe, Halbwertszeit von Wochen durch FcRn-Recycling, proteolytischer Abbau ohne CYP, nichtlineare zielvermittelte Disposition, Plazentagängigkeit im letzten Trimenon.
  • Immunogenität: Anti-Drug-Antikörper führen zu Wirkverlust und schnellerer Clearance; dazu kommen Infusionsreaktionen, Infektionen durch Immunmodulation und Zytokinfreisetzung.
  • Kontraindikationen und Wechselwirkungen: Vor Therapiebeginn auf Tuberkulose und Hepatitis B screenen; Lebendimpfstoffe sind kontraindiziert; pharmakokinetische Interaktionen gibt es kaum.
  • Nomenklatur: -ximab steht für chimär, -zumab für humanisiert, -umab für human und -cept für Fusionsproteine; mit steigendem humanem Anteil sinkt die Immunogenität.

Überblick

Biologika sind Arzneistoffe, die biotechnologisch in lebenden Zellen hergestellt werden, fast immer Proteine. Sie unterscheiden sich von niedermolekularen Arzneistoffen (meist unter 1 kDa) grundlegend: Sie sind groß (IgG etwa 150 kDa), strukturell heterogen, und ihre Qualität hängt vom Herstellungsprozess ab.

  • Herstellung: rekombinant in CHO-Zellen, E. coli oder Hefe. Faltung und Glykosylierung hängen von Zelllinie und Prozess ab, deshalb sind Nachfolgeprodukte nur ähnlich (Biosimilars).
  • Gruppen: rekombinante Proteine (Hormone, Enzyme, Gerinnungsfaktoren, z. B. Insuline), monoklonale Antikörper, Fusionsproteine.
  • Kernmerkmale: hohe Zielspezifität, extrazelluläre Targets, parenterale Gabe, kein CYP-Abbau, potenziell immunogen.
  • Bedeutung: Standard bei Autoimmun- und Tumorerkrankungen. Wegen der aufwendigen Herstellung sind sie teuer und machen einen großen Teil der Arzneimittelausgaben aus.

Typischer Vertreter ist Adalimumab, ein humaner IgG1-Antikörper gegen TNF-α.

Adalimumab
Monoklonale Antikörper · Leitsubstanz
  • Prinzip: neutralisiert lösliches und membranständiges TNF-α über die Fab-Arme
  • Kinetik: s.c., Halbwertszeit etwa zwei Wochen durch FcRn-Recycling, proteolytischer Abbau
  • Einsatz: chronisch-entzündliche Erkrankungen, Details bei den TNF-α-Antagonisten
  • Besonderheit: trotz vollständig humaner Sequenz Bildung von Anti-Drug-Antikörpern möglich

Vertreter

Man unterscheidet die Vertreter nach dem Bauprinzip: körpereigenes Protein, vollständiger Antikörper, Fragment ohne Fc oder Fusionsprotein. Ein monoklonaler Antikörper stammt von einem einzigen B-Zell-Klon und erkennt genau ein Epitop. Die Wirkstoffe haben ihre Heimat auf den Seiten der jeweiligen Klassen.

Wirkstoffe
Strukturformel von Epoetin alfa
Rekombinante Proteine Epoetin alfa
Rekombinante Proteine Insulin glargin Substitution
Vollständige Antikörper Adalimumab
Vollständige Antikörper Infliximab chimär
Vollständige Antikörper Omalizumab humanisiert
Fab-Fragment Ranibizumab ohne Fc
Fusionsproteine Etanercept
Fusionsproteine Abatacept Rezeptordomäne plus Fc

Wirkmechanismus

Ein IgG-Antikörper besteht aus zwei schweren und zwei leichten Ketten in Y-Form. Die beiden Fab-Fragmente (fragment antigen binding) tragen in ihren variablen Regionen die antigenbindenden CDR (complementarity determining regions). Der Fc-Teil (fragment crystallizable) aus den konstanten Regionen der schweren Ketten bindet Fcγ-Rezeptoren, Komplement (C1q) und FcRn.

Fab bestimmt also, was gebunden wird. Fc bestimmt, was danach geschieht und wie lange der Antikörper zirkuliert. Weil Proteine keine Membranen passieren, liegen die Targets extrazellulär oder auf der Zelloberfläche (Immunabwehr).

Y-förmiger Antikörper mit markierten Fab-Armen und Fc-Stamm, umgeben von vier Schemata: Antikörper fängt Zytokin ab, Antikörper besetzt Rezeptor, Antikörper markiert Zelle für NK-Zelle und Komplement, Fusionsprotein aus Rezeptordomäne und Fc bindet Ligand

Aufbau eines IgG-Antikörpers und die Wirkprinzipien von Antikörpern und Fc-Fusionsproteinen
  • Substitution: Das rekombinante Protein ersetzt ein fehlendes körpereigenes (Insulin, Epoetin, Faktor VIII).
  • Neutralisation: Der Antikörper fängt einen löslichen Liganden ab (TNF-α, IL-5, PCSK9, CGRP), der dann seinen Rezeptor nicht erreicht.
  • Rezeptorblockade: Der Antikörper besetzt den Rezeptor selbst, ohne ihn zu aktivieren (Erenumab am CGRP-Rezeptor, Tocilizumab am IL-6-Rezeptor).
  • Zelldepletion: Der Antikörper gegen ein Oberflächenantigen (Rituximab an CD20) markiert die Zelle. Über Fc werden NK-Zellen, Makrophagen und Komplement rekrutiert (ADCC und CDC). Das setzt ein intaktes Fc voraus, meist IgG1.
  • Rezeptorköder: Ein Fusionsprotein verbindet die extrazelluläre Rezeptordomäne mit IgG-Fc (Etanercept: TNF-Rezeptor 2). Es fängt den Liganden wie ein löslicher Rezeptor ab, das Fc verlängert die Halbwertszeit.

Wirkungen und Anwendung

Weil das Fab ein einzelnes Epitop erkennt, sind Biologika sehr zielspezifisch. Off-Target-Effekte fehlen weitgehend, die unerwünschten Wirkungen sind meist Folge der gewollten Wirkung (on-target).

Pharmakokinetik

Die Kinetik der Biologika folgt dem Proteinstoffwechsel und nicht den Regeln kleiner Moleküle.

  • Parenterale Gabe (i.v., s.c.): Oral werden Proteine proteolytisch abgebaut, außerdem sind sie zu groß und zu hydrophil für die Resorption. Nach s.c. Gabe gelangen sie langsam über die Lymphe ins Blut.
  • FcRn (neonataler Fc-Rezeptor): Im sauren Endosom bindet IgG an FcRn und entgeht so dem lysosomalen Abbau. Bei neutralem pH wird es an der Zelloberfläche wieder freigesetzt. Die Halbwertszeit von IgG beträgt deshalb etwa drei Wochen.
  • Abbau: proteolytisch zu Aminosäuren, ohne CYP. Fragmente und kleine Proteine werden zusätzlich glomerulär filtriert.
  • Zielvermittelte Disposition: Die Bindung an das Target mit anschließender Internalisierung eliminiert den Antikörper. Dieser Weg ist sättigbar, daher ist die Kinetik nichtlinear. Bei hoher Targetlast (große Tumormasse, starke Entzündung) wird der Antikörper schneller eliminiert.
  • Verteilung: weitgehend auf Plasma und Interstitium beschränkt, kaum ins ZNS.
  • Plazenta: FcRn transportiert IgG und Fc-Fusionsproteine aktiv zum Fetus, vor allem im letzten Trimenon. Das Neugeborene hat dann noch monatelang messbare Spiegel.

Endothelzelle mit Endosom: IgG bindet bei pH 6 an FcRn und kehrt zur Zellmembran zurück, wo es bei pH 7,4 freigesetzt wird; nicht gebundene Proteine werden ins Lysosom transportiert

FcRn-Recycling als Grund für die lange Halbwertszeit von IgG
Prüferinnenfrage
Warum hat ein Fab-Fragment eine viel kürzere Halbwertszeit als der vollständige Antikörper?
Antwort anzeigen

Dem Fab fehlt der Fc-Teil und damit die Bindung an FcRn. Es wird also nicht aus dem Endosom recycelt, sondern lysosomal abgebaut. Außerdem ist es mit etwa 50 kDa klein genug für die glomeruläre Filtration. Für eine lange Wirkung koppelt man Fragmente deshalb an Polyethylenglykol oder appliziert sie lokal, etwa Ranibizumab intravitreal.

Unerwünschte Wirkungen

Die UAW ergeben sich aus zwei Quellen: Das Protein ist für das Immunsystem potenziell fremd, und die gewollte Immunmodulation hat Folgen.

📖 Definition: Immunogenität

Fähigkeit eines Biologikums, eine Immunantwort gegen sich selbst auszulösen. Die gebildeten Anti-Drug-Antikörper (ADA) neutralisieren die Wirkung oder beschleunigen die Clearance.

UAW warum
Immunsystem
Wirkverlust durch ADA fremde Sequenzen (murine Anteile), Aggregate, abweichende Glykosylierung; seltener bei humanen Antikörpern; gleichzeitiges Methotrexat senkt die ADA-Bildung
Immunsystem
Infusionsreaktion Zytokinfreisetzung, selten IgE-vermittelt; vor allem bei der ersten i.v. Gabe, daher langsam infundieren und prämedizieren
Haut
Injektionsstellenreaktion lokale Entzündung nach s.c. Gabe, meist harmlos
Immunsystem
Infektionen gewollte Immunsuppression: Reaktivierung von Tuberkulose (TNF-α hält Granulome stabil) und Hepatitis B, opportunistische Erreger
Immunsystem · Gefäße
Zytokinfreisetzungssyndrom T-Zell-aktivierende oder zelllysierende Antikörper setzen massiv IL-6 frei → Fieber, Hypotonie (bispezifische Antikörper)

Kontraindikationen und Wechselwirkungen

Kontraindikationen folgen vor allem aus der Immunmodulation, Wechselwirkungen sind dagegen meist pharmakodynamisch.

  • Aktive, schwere Infektionen: Die Immunmodulation verschlechtert sie. Vor Therapiebeginn wird gescreent: latente Tuberkulose (IGRA, Röntgen-Thorax), Hepatitis B und C, gegebenenfalls HIV.
  • Impfungen: vor Therapiebeginn vervollständigen. Totimpfstoffe sind möglich, das Ansprechen kann aber schwächer ausfallen.
  • Pharmakokinetik: kaum Interaktionen, weil weder CYP noch Transporter beteiligt sind. Ausnahme: Entzündungsmediatoren wie IL-6 unterdrücken CYP3A4. Eine IL-6-Blockade normalisiert die Enzymaktivität, dadurch sinken die Spiegel von CYP-Substraten.
  • Pharmakodynamik: Zwei immunsuppressive Biologika kombiniert man nicht, weil sich das Infektionsrisiko addiert.
⚠️ Achtung: Lebendimpfstoffe

Unter immunmodulierenden Biologika sind Lebendimpfstoffe kontraindiziert, weil sich der Impfstamm unkontrolliert vermehren kann. Das gilt auch für Säuglinge nach Exposition im letzten Trimenon: In den ersten Lebensmonaten erhalten sie keine Lebendimpfung, etwa gegen Rotaviren.

Unterschiede innerhalb der Klasse

Rein murine Antikörper lösen eine starke Immunantwort aus und sind deshalb kaum noch im Gebrauch. Je höher der humane Anteil, desto geringer die Immunogenität, null wird sie aber nie.

Drei Y-förmige Antikörper: beim ersten die variablen Domänen rot (murin), beim zweiten nur kleine CDR-Schleifen rot, beim dritten alles blau (human); darunter die Endungen -ximab, -zumab, -umab

Chimär, humanisiert, human: abnehmender muriner Anteil, mit den Endungen des bisherigen INN-Schemas
Typ Aufbau Endung (bisheriges INN-Schema) Beispiele
chimär variable Domänen murin, konstante human -ximab Infliximab, Rituximab
humanisiert nur die CDR murin -zumab Omalizumab, Tocilizumab
human vollständig human (transgene Mäuse, Phagen-Display) -umab Adalimumab, Evolocumab
Fab-Fragment ohne Fc: kurze Halbwertszeit, keine Effektorfunktion Ranibizumab
Fusionsprotein Rezeptordomäne plus IgG-Fc -cept Etanercept, Abatacept
💡 Merke

-ximab = chimär, -zumab = humanisiert, -umab = human, -cept = Fusionsprotein. Für neu benannte Antikörper hat die WHO dieses Schema verlassen, die Endung verrät dort die Herkunft nicht mehr.

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Lückentext

Warum?

Zuordnen

Aussage 4

IgG-Antikörper werden über FcRn aktiv durch die Plazenta transportiert, vor allem im letzten Trimenon.

Der FcRn-vermittelte Transfer nimmt gegen Ende der Schwangerschaft zu. Neugeborene haben deshalb noch monatelang messbare Spiegel.

Aussage 5

Etanercept ist ein monoklonaler Antikörper gegen den TNF-Rezeptor.

Etanercept ist ein Fusionsprotein aus der extrazellulären Domäne des TNF-Rezeptors 2 und IgG-Fc. Es fängt TNF-α als Rezeptorköder ab und blockiert nicht den Rezeptor.

Aussage 6

Die lange Halbwertszeit von IgG beruht darauf, dass FcRn den Antikörper im sauren Endosom bindet und vor dem lysosomalen Abbau schützt.

FcRn bindet IgG bei saurem pH im Endosom und setzt es bei neutralem pH an der Zelloberfläche wieder frei. Das Recycling verlängert die Halbwertszeit auf etwa drei Wochen.

Aussage 7

Zielvermittelte Disposition führt zu einer nichtlinearen Kinetik: Bei hoher Targetlast wird der Antikörper schneller eliminiert.

Die Bindung an das Target mit anschließender Internalisierung ist ein sättigbarer Eliminationsweg. Eine hohe Targetlast beschleunigt deshalb die Clearance.

Aussage 8

Monoklonale Antikörper werden überwiegend über CYP3A4 abgebaut, daher sind Interaktionen mit CYP-Inhibitoren häufig.

Antikörper werden proteolytisch zu Aminosäuren abgebaut, ohne Beteiligung von CYP. Pharmakokinetische Interaktionen sind deshalb selten.

Aussage 9

Bei einem chimären Antikörper stammen nur die CDR aus der Maus.

Das beschreibt einen humanisierten Antikörper. Bei chimären Antikörpern sind die gesamten variablen Domänen murin und nur die konstanten Domänen human.

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