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Notwendigkeit von Tierversuchen in der biomedizinischen Forschung Beispiel: Krebsforschung Prof. Dr. M. Lohoff Tierversuche verstehen.

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Präsentation zum Thema: "Notwendigkeit von Tierversuchen in der biomedizinischen Forschung Beispiel: Krebsforschung Prof. Dr. M. Lohoff Tierversuche verstehen."—  Präsentation transkript:

1 Notwendigkeit von Tierversuchen in der biomedizinischen Forschung Beispiel: Krebsforschung Prof. Dr. M. Lohoff Tierversuche verstehen

2 Warum Tierversuche? 1)Tiere werden eingesetzt, wenn man wissen muss, was in einem gesamten, lebenden Körper passiert, der viel komplexer ist, als die Summe seiner einzelnen Teile. 2)Es ist manchmal unmöglich, die Verwendung von lebenden Tieren in der Forschung durch alternative Methoden komplett zu ersetzen. 3)In-vitro-Verfahren und Computermodelle spielen eine wichtige Rolle zur Ergänzung von Daten aus Tiermodellen. 4)Tierexperimente sind Voraussetzung für entscheidende Fortschritte in der Therapie von Krankheiten. Tierversuche haben eine wichtige Rolle bei fast allen medizinischen Durchbrüchen im letzten Jahrzehnt gespielt. 5)Tierexperimente sind entscheidend, um den späteren Erfolg beim Menschen vorauszusagen. 6)Wir teilen 99% unserer Gene mit einer Maus, daher sind sie ein effektives Modell für den menschlichen Körper. 7)Deutschland gehört weltweit zu den Ländern mit den höchsten Standards im Bereich Tierschutz. 8)Tierversuche dürfen nur nach Genehmigung durchgeführt werden. 9)Tierversuche sind auf ein notwendiges Minimum zu beschränken. Richtlinie „Drei Rs“ (reduction, refinement and replacement“ ( Reduktion, Verfeinerung und Ersatz). 2

3 3 Beitrag von Tierversuchen zur Etablierung einer Therapie gegen schwarzen Hautkrebs

4 Epidermis Dermis Subcutaneous tissue Schwarzer Hautkrebs (malignes Melanom) 4 hochgradig bösartiger Tumor der Pigmentzellen streut früh Metastasen am häufigsten tödlich verlaufende Hautkrankheit weltweit stark steigende Anzahl an Neuerkrankungen

5 X X 2001: Prognosefaktoren beim schwarzer Hautkrebs keine effektive Therapiemöglichkeit % der Patienten sterben innerhalb von 6 Monaten 40-60% der Patienten sterben innerhalb von 1 Jahr Balch et al. Prognostic Factors Analysis of 17,600 Melanoma Patients: Validation of the American Joint Committee on Cancer Melanoma Staging System. J Clin Oncol. 2001, Vol 19, No 16, pp X X

6 Wie haben Mausexperimente geholfen eine effektivere Therapie zu etablieren? 6

7 PD-1 7

8 1992: Identifizierung und Charakterisierung des Gens für das Protein PD-1 in Mauszelllinien : Identifizierung des Gens für menschliches PD-1 unter Zuhilfenahme der Information von Maus PD-1 Abstract To determine the structure and chromosomal location of the human PD-1 gene, we screened a human T cell cDNA library by mouse PD-1 probe and isolated a cDNA coding for the human PD1- protein. Zusammenfassung Um die Struktur und die chromosomale Lage des menschlichen PD-1-Gens zu bestimmen, wurde eine humane T-Zell-cDNA -Bibliothek mit der Maus PD-1–Sonde durchsucht und eine cDNA, die für das humane PD1-Protein kodiert, isoliert. Ishida et al. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death. EMBO J Vol 11, No. 11, pp 3887 – 3895 Shinohara et al. Structure and Chromosomal Localization of the Human PD-1 Gene (PDCD1). Genomics. 1994, Vol 23, pp

9 9 vereinfachte Darstellung Immunzelle PD-1 PD-1 Partnermolekül Signal Zudem wurde erforscht:

10 1999: Herstellung einer Maus ohne PD-1 Gen und daher ohne PD-1 Eiweiß Fazit: PD-1 hat eine hemmende Funktion im Immunsystem Eine Maus ohne PD-1 entwickelt Autoimmun-Erkrankungen (dabei greift das Immunsystem den eigenen Körper an) 10 Entscheidend: Dieses Ergebnis war nicht vorhersehbar. Nur dieses Mausmodell konnte die Entdeckung ermöglichen. Immun- zelle PD-1 PD-1 Partnermolekül hemmendes Signal vereinfachte Darstellung Nishimura et al. Development of Lupus-like Autoimmune Diseases by Disruption of the PD-1 Gene Encoding an ITIM Motif-Carrying Immunoreceptor. Immunity. 1999, Vol 11, pp 141–151

11 2004: Antikörper, welche die Funktion von PD-1 hemmen, reduzieren die Metastasierung des Melanoms in Mäusen Ergebnis: weniger Lebermetastasen Lebermetastasen Antikörper gegen PD-1 Kontroll- Antikörper Behandlung mit: Iwai et al. PD-1 blockade inhibits hematogenous spread of poorly immunogenic tumor cells by enhanced recruitment of effector T cells. Int Immunol. 2005, Vol 17, No 2, pp 133–144

12 Besondere Immunzellen zur Abwehr von Tumoren und Viren sind T-Zellen 12 T-Zelle T-Zell-Rezeptor Tumor-Zelle / virusinfizierte Zelle Antigen X vereinfachte Darstellung Tötungssignal Erkennung von Fremdmaterial (=Antigen) durch einen hochspezifischen Rezeptor. Abtötung der erkannten Zelle.

13 2006: Entdeckung einer T-Zell-Population mit PD-1 auf ihrer Oberfläche bei einer chronischen Virusinfektion in Mäusen 13 PD1- Partnermolekül PD-1 T-Zelle T-Zell-Rezeptor Tumor-Zelle / virusinfizierte Zelle ausgebremste vereinfachte Darstellung hemmt Barber et al. Restoring function in exhausted CD8 T cells during chronic viral infection. Nature. 2006, Vol 439, No 7077, pp Virus-Teil (=Antigen) Das Tötungssignal wird verhindert.

14 T-Zelle Virusinfizierte Zelle 2006: Entdeckung einer T-Zell-Population mit PD-1 auf ihrer Oberfläche bei einer chronischen Virusinfektion in Mäusen 14 PD1-Partnermolekül PD-1 vereinfachte Darstellung Barber et al. Restoring function in exhausted CD8 T cells during chronic viral infection. Nature. 2006, Vol 439, No 7077, pp Die chronische Infektion wird geheilt! Antikörper gegen PD-1 eliminieren das Hemmsignal Neustart? Neustart! Tötungssignal X Aber diese Hemmung kann durch einen Antikörper gegen PD-1 aufgehoben werden.

15 2012: Erste Anwendung von Antikörpern gegen PD-1 beim menschlichen Melanom Klar messbare, aber eingeschränkte therapeutische Wirksamkeit 28% der Patienten reagieren 15 Topalian et al. Safety, Activity, and Immune Correlates of Anti-PD-1 Antibody in Cancer. N Engl J Med. 2012; Vol 366, No 26, pp 2443–2454

16 CTLA-4 16

17 1987: Identifizierung des Gens für Maus CTLA : Identifizierung des Gens für Human CTLA-4 Brunet et al. A new member of the immunoglobulin superfamily - CTLA-4. Nature. 1987, Vol 328, pp 267 – 270 Dariavach et al. Human Ig superfamily CTLA-4 gene: chromosomal localization and identity of protein sequence between murine and human CTLA-4 cytoplasmic domains. Eur. J. Immunol. 1988, Vol18, pp unter Zuhilfenahme der Information von Maus CTLA-4 Abstract Whereas the overall homology between the human and murine CTLA-4 proteins is 76%, there is, remarkably, a complete identity of their cytoplasmic domains. This complete interspecies conservation comes in support of an important role for this domain in CTLA-4 function. Zusammenfassung Während die Gesamthomologie zwischen den menschlichen und murinen CTLA-4 Proteinen 76% beträgt, sind die cytoplasmatischen Domänen, be- merkenswerterweise, komplett identisch. Diese vollkommene artenübergreifende Konservierung weist auf eine wichtige Rolle dieser Domäne in der CTLA-4 Funktion hin.

18 18 vereinfachte Darstellung Immunzelle CTLA-4 Partnermolekül Signal Zudem wurde erforscht:

19 Entscheidend: Dieses Ergebnis war nicht vorhersehbar. Nur dieses Mausmodell konnte die Entdeckung ermöglichen. 1995: Herstellung einer CTLA-4 Gen-defizienten Maus 19 vereinfachte Darstellung Eine Maus ohne CTLA-4 entwickelt Autoimmun-Erkrankungen (dabei greift das Immunsystem den eigenen Körper an) Fazit: CTLA-4 hat eine hemmende Funktion im Immunsystem Immun- zelle CTLA-4 CTLA-4 Partnermolekül hemmendes Signal Waterhouse et al. Lmphoproliferative Disorders with Early Lethality in Mice Deficient in Ctla-4. Science. 1995, Vol 270, pp

20 20 Nebenbei 2014: Bestätigung von Autoimmunität bei Fehlen von CTLA-4 beim Menschen Schubert et al. Autosomal dominant immune dysregulation syndrome in humans with CTLA4 mutations. Nat Med. 2014, Vol 20, No 12,

21 1996: Blockade von CTLA-4 (durch Antikörper) verringert das Wachstum von Darmkrebs in Mäusen „Enthemmung“ des Immunsystems 21 Kontroll-Antikörper Antikörper gegen CTLA-4 Tumorgröße max. 95mm 2 Tumorgröße max. 30mm 2 Leach et al. Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade. Science. 1996, Vol 271 No 5256, pp1734-6

22 2010 Erste Anwendung von anti-CTLA-4 beim menschlichen Melanom Klar messbare, aber eingeschränkte therapeutische Wirksamkeit 22 mit Antikörper gegen CTLA-4 Kontrolle: OHNE Antikörper gegen CTLA-4 Behandlung MIT Antikörpern gegen CTLA-4: 20% überleben Behandlung OHNE Antikörper gegen CTLA-4: unter 10% überleben Hodi et al. Improved Survival with Ipilimumab in Patients with Metastatic Melanoma. N Engl J Med. 2010, Vol 363, No 8, pp

23 2010: Erstmaliger gemeinsamer Einsatz von Antikörpern gegen CTLA-4 und PD-1 beim Melanom der Maus 23 Ohne Behandlung (keine Antikörper) 0% überleben Antikörper gegen CTLA-4 ca. 10 % überleben Antikörper gegen PD-1 ca. 25% überleben Antikörper gegen PD-1 & CTLA-4 ca. 50% überleben Curran et al. PD-1 and CTLA-4 combination blockade expands infiltrating T cells and reduces regulatory T and myeloid cells within B16 melanoma tumors. PNAS. 2010, Vol 107, No 9, pp 4275– 4280

24 24 Jede Kurve zeigt die Tumorgröße bei einem Patienten. 2013: Erstmaliger Einsatz von Antikörpern gegen CTLA-4 UND PD-1 beim Melanom des Menschen Ergebnis: Ansprechrate: 53% Tumorreduktion: > 80% Wolchok et al. Nivolumab plus Ipilimumab in Advanced Melanoma. N Engl J Med. 2013, Vol 369 No 2, pp

25 Die Krebs-Immuntherapie ist der wissenschaftliche Durchbruch des Jahres 2013 Image: © Valerie Altounian/Science

26 mehrere unabhängige Bestätigungen im Melanom Freigabe der Antikörper Erwerb und Einsatz ohne Studie möglich Rückkopplung von Dermatologen in großen Kliniken: Die Antikörper helfen 26 Seitdem:

27 2015: Erfolg beim (sonst tödlichen) Rezidiv von Lymphknotenkrebs durch anti-PD-1 27 Ergebnis: 87% der Patienten sprechen auf die Behandlung an. Ansell et al. PD-1 Blockade with Nivolumab in Relapsed or Refractory Hodgkin´s Lymphoma. N Engl J Med. 2015, Vol 4, pp 311-9

28 Aber beim Melanom reagieren die Hälfte der Patienten immer noch nicht! 28 Weitere Tierversuche oder nicht?

29 Inhalt Folie 2 Gründe für Notwendigkeit von Tierversuchen Folie 4-5 schwarzer Hautkrebs (Melanom) und die geringe Überlebenszeit von Patienten im Stadium IV dieser Krankheit Folien 8 Informationen zur Entdeckung des Eiweißmoleküls PD- 1; zuerst im Mausmodell, danach beim Menschen Folie 9-10 PD-1 Funktion: Hemmung des Immunsystems; Mausmodell ohne PD-1 resultiert in Autoimmun- Erkrankungen Folie 11 Blockade von PD-1 mit anti-PD-1 Antikörpern im Mausmodell schränkt Metastasierung des Melanoms ein Folie 12 Funktion von T-Zellen (besondere Immunzellen zur Abwehr von Tumoren und Viren. Folien 13,14 Mäuse mit chronischer Virusinfektion besitzen T-Zellen (wehren normalerweise das Virus ab) mit PD-1. PD-1 unterdrückt die T-Zell Funktion. Blockiert man PD-1 durch Antikörper werden diese T-Zellen wieder aggressiv und töten das Virus ab. Die Krankheit wird geheilt. 29 Folie 15 Messbare, aber eingeschränkte Wirksamkeit von anti- PD-1 beim menschlichen Melanom Folien vergleichbare Daten zu den Folien 8-10 für das CTLA-4 Eiweißmolekül mit ähnlich immun-unterdrückender Funktion wie PD-1 Folie 21 Blockade von CTLA-4 führt zu verringertem Tumorwachstum im Darmkrebs Mausmodell Folie 22 Messbare, aber eingeschränkte Wirksamkeit von anti- CTLA-4 Antikörpern beim menschlichen Melanom Folie 23 50% der Mäuse mit Melanom überleben, wenn PD-1 PLUS CTLA-4 gleichzeitig blockiert werden Folien 24 zeigen denselben positiven Effekt beim Menschen im Endstadium IV des Melanoms Folien 30 Quellenangaben mit Verlinkung Folien 30 Quellenangaben ohne Verlinkung

30 Quellenangaben 30 Folie 5:Balch et al. Prognostic Factors Analysis of 17,600 Melanoma Patients: Validation of the American Joint Committee on Cancer Melanoma Staging System. J Clin Oncol. 2001, Vol 19, No 16, pp Balch et al. Prognostic Factors Analysis of 17,600 Melanoma Patients: Validation of the American Joint Committee on Cancer Melanoma Staging System. J Clin Oncol. 2001, Vol 19, No 16, pp Folie 8: Ishida et al. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death. EMBO J Vol 11, No. 11, pp 3887 – 3895Ishida et al. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death. EMBO J Vol 11, No. 11, pp 3887 – 3895 Folie 8: Shinohara et al. Structure and Chromosomal Localization of the Human PD-1 Gene (PDCD1). Genomics. 1994, Vol 23, pp Shinohara et al. Structure and Chromosomal Localization of the Human PD-1 Gene (PDCD1). Genomics. 1994, Vol 23, pp Folie 10: Nishimura et al. Development of Lupus-like Autoimmune Diseases by Disruption of the PD-1 Gene Encoding an ITIM Motif- Carrying Immunoreceptor. Immunity. 1999, Vol 11, pp 141–151Nishimura et al. Development of Lupus-like Autoimmune Diseases by Disruption of the PD-1 Gene Encoding an ITIM Motif- Carrying Immunoreceptor. Immunity. 1999, Vol 11, pp 141–151 Folie 11: Iwai et al. PD-1 blockade inhibits hematogenous spread of poorly immunogenic tumor cells by enhanced recruitment of effector T cells. Int Immunol. 2005, Vol 17, No 2, pp 133–144Iwai et al. PD-1 blockade inhibits hematogenous spread of poorly immunogenic tumor cells by enhanced recruitment of effector T cells. Int Immunol. 2005, Vol 17, No 2, pp 133–144 Folie 13,14: Barber et al. Restoring function in exhausted CD8 T cells during chronic viral infection. Nature. 2006, Vol 439, No 7077, pp Barber et al. Restoring function in exhausted CD8 T cells during chronic viral infection. Nature. 2006, Vol 439, No 7077, pp Folie 15: Topalian et al. Safety, Activity, and Immune Correlates of Anti-PD- 1 Antibody in Cancer. N Engl J Med. 2012; Vol 366, No 26, pp 2443–2454 Folie 17: Brunet et al. A new member of the immunoglobulin superfamily - CTLA-4. Nature. 1987, Vol 328, pp 267 – 270Brunet et al. A new member of the immunoglobulin superfamily - CTLA-4. Nature. 1987, Vol 328, pp 267 – 270 Folie 17: Dariavach et al. Human Ig superfamily CTLA-4 gene: chromosomal localization and identity of protein sequence between murine and human CTLA-4 cytoplasmic domains. Eur. J. Immunol. 1988, Vol18, pp Dariavach et al. Human Ig superfamily CTLA-4 gene: chromosomal localization and identity of protein sequence between murine and human CTLA-4 cytoplasmic domains. Eur. J. Immunol. 1988, Vol18, pp Folie 19: Waterhouse et al. Lmphoproliferative Disorders with Early Lethality in Mice Deficient in Ctla-4. Science. 1995, Vol 270, pp Waterhouse et al. Lmphoproliferative Disorders with Early Lethality in Mice Deficient in Ctla-4. Science. 1995, Vol 270, pp Folie 20: Schubert et al. Autosomal dominant immune dysregulation syndrome in humans with CTLA4 mutations. Nat Med. 2014, Vol 20, No 12, Schubert et al. Autosomal dominant immune dysregulation syndrome in humans with CTLA4 mutations. Nat Med. 2014, Vol 20, No 12, Folie 21: Leach et al. Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade. Science. 1996, Vol 271 No 5256, pp1734-6Leach et al. Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade. Science. 1996, Vol 271 No 5256, pp Folie 22: Hodi et al. Improved Survival with Ipilimumab in Patients with Metastatic Melanoma. N Engl J Med. 2010, Vol 363, No 8, pp Hodi et al. Improved Survival with Ipilimumab in Patients with Metastatic Melanoma. N Engl J Med. 2010, Vol 363, No 8, pp Folie 23: Curran et al. PD-1 and CTLA-4 combination blockade expands infiltrating T cells and reduces regulatory T and myeloid cells within B16 melanoma tumors. PNAS. 2010, Vol 107, No 9, pp 4275–4280Curran et al. PD-1 and CTLA-4 combination blockade expands infiltrating T cells and reduces regulatory T and myeloid cells within B16 melanoma tumors. PNAS. 2010, Vol 107, No 9, pp 4275–4280 Folie 24: Wolchok et al. Nivolumab plus Ipilimumab in Advanced Melanoma. N Engl J Med. 2013, Vol 369 No 2, pp Wolchok et al. Nivolumab plus Ipilimumab in Advanced Melanoma. N Engl J Med. 2013, Vol 369 No 2, pp Folie 27:Ansell et al. PD-1 Blocade with Nivolumab in Relapsed or Refractory Hodgkin´s Lymphoma. N Engl J Med. 2015, Vol 4, pp 311-9Ansell et al. PD-1 Blocade with Nivolumab in Relapsed or Refractory Hodgkin´s Lymphoma. N Engl J Med. 2015, Vol 4, pp 311-9

31 Quellenangaben 31 Folie 5: Balch et al. Prognostic Factors Analysis of 17,600 Melanoma Patients: Validation of the American Joint Committee on Cancer Melanoma Staging System. J Clin Oncol. 2001, Vol 19, No 16, pp Folie 8: Ishida et al. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death. EMBO J Vol 11, No. 11, pp 3887 – 3895 Folie 8: Shinohara et al. Structure and Chromosomal Localization of the Human PD-1 Gene (PDCD1). Genomics. 1994, Vol 23, pp Folie 10: Nishimura et al. Development of Lupus-like Autoimmune Diseases by Disruption of the PD-1 Gene Encoding an ITIM Motif- Carrying Immunoreceptor. Immunity. 1999, Vol 11, pp 141–151 Folie 11: Iwai et al. PD-1 blockade inhibits hematogenous spread of poorly immunogenic tumor cells by enhanced recruitment of effector T cells. Int Immunol. 2005, Vol 17, No 2, pp 133–144 Folie 13, 14: Barber et al. Restoring function in exhausted CD8 T cells during chronic viral infection. Nature. 2006, Vol 439, No 7077, pp Folie 15: Topalian et al. Safety, Activity, and Immune Correlates of Anti-PD-1 Antibody in Cancer. N Engl J Med. 2012; Vol 366, No 26, pp 2443–2454 Folie 17: Brunet et al. A new member of the immunoglobulin superfamily - CTLA-4. Nature. 1987, Vol 328, pp 267 – 270 Folie 17: Dariavach et al. Human Ig superfamily CTLA-4 gene: chromosomal localization and identity of protein sequence between murine and human CTLA-4 cytoplasmic domains. Eur. J. Immunol. 1988, Vol18, pp Folie 19: Waterhouse et al. Lmphoproliferative Disorders with Early Lethality in Mice Deficient in Ctla-4. Science. 1995, Vol 270, pp Folie 20: Schubert et al. Autosomal dominant immune dysregulation syndrome in humans with CTLA4 mutations. Nat Med. 2014, Vol 20, No 12, Folie 21: Leach et al. Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade. Science. 1996, Vol 271 No 5256, pp Folie 22: Hodi et al. Improved Survival with Ipilimumab in Patients with Metastatic Melanoma. N Engl J Med. 2010, Vol 363, No 8, pp Folie 23: Curran et al. PD-1 and CTLA-4 combination blockade expands infiltrating T cells and reduces regulatory T and myeloid cells within B16 melanoma tumors. PNAS. 2010, Vol 107, No 9, pp 4275–4280 Folie 24: Wolchok et al. Nivolumab plus Ipilimumab in Advanced Melanoma. N Engl J Med. 2013, Vol 369 No 2, pp Folie 27: Ansell et al. PD-1 Blocade with Nivolumab in Relapsed or Refractory Hodgkin´s Lymphoma. N Engl J Med. 2015, Vol 4, pp 311-9


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