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Angesichts der drohenden Antibiotika-Krise setzt man einige Hoffnungen auf Bakteriophagen als Therapiealternative gegen resistente Krankheitserreger. Klinische Tests mit Phagen- präparaten erweisen sich jedoch als schwierig. Ein Überblick.
Die Zahlen sprechen eine beängstigend deutliche Sprache: Im Jahr 2015 gab es nach Angaben des Europäischen Zentrums für die Prävention und die Kontrolle von Krankheiten (ECDC)über 670.000 Erkrankungen mit besonders gefährlichen, multiresistenten Keimen in der Europäischen Union und dem Europäischen Wirtschaftsraum. In über 33.000 Fällen verliefen diese tödlich [1]. Die seelischen und körperlichen Belastungen für die Patienten und deren Angehörige, aber auch die ökonomische Beanspruchung der öffentlichen Gesundheitssysteme durch multiresistente Erreger sind enorm. Die Suche nach Antibiotika-Alternativen wird daher immer wichtiger.
Seit dem Ausstieg namhafter Pharma-Unternehmen aus der Antibiotika-Forschung liegt die ohnehin schon über Jahrzehnte stagnierende Entwicklung neuer antibakterieller Wirkstoffe fast völlig auf Eis. Die Gründe: zu schmale Gewinnmargen, Probleme bei der Rekrutierung von Probanden für klinische Studien sowie die abschreckende Aussicht, dass das neu entwickelte Produkt sofort in den „Giftschrank“ gesperrt und nur in absoluten Notfällen eingesetzt wird.
Unter diesen Voraussetzungen ist es wenig verwunderlich, dass gewinnorientierte Unternehmen wie die Pharmariesen Novartis, AstraZeneca, Sanofi und zuletzt Johnson & Johnson aus der Antibiotika-Entwicklung aussteigen, obwohl sie erst 2016 zusammen mit etwa hundert anderen Unternehmen die „AMR Industry Alliance“ zur Bekämpfung bakterieller Resistenzen gegründet hatten. Heute haben über die Hälfte der dort vertretenen Unternehmen die Antibiotika-Forschung eingestellt [2]. Die Pharmaindustrie ist demnach dabei, den Wettlauf zwischen Antibiotika-Entwicklung und Resistenzbildung, der sich seit der massenhaften Verwendung von Penicillin in den 1940er-Jahren immer weiter beschleunigt hat, verloren zu geben.
Dabei gäbe es vielversprechende Alternativen und einen ganzen Pool unterschiedlicher Ansätze. Bereits 2017 wurde beispielsweise ein monoklonaler Antikörper gegen wiederkehrende Infektionen mit dem Darmbakterium Clostridioides difficile (bis 2016 Clostridium difficile genannt) in Europa zugelassen [3]. Ein probiotisches, auch gegen C. difficile gerichtetes Präparat durchläuft derzeit eine klinische Phase-3-Studie in den USA [4]. Zudem werden Impfungen als potenzielle Alternativen untersucht – auch wenn diese Sparte kürzlich einen Rückschlag hinnehmen musste, als eine klinische Studie mit einem ebenfalls gegen C. difficile gerichteten Präparat wegen fehlender Wirksamkeit vorzeitig beendet wurde [5]. Und so gewinnt in diesen Tagen ein in den westlichen Industriestaaten lange vernachlässigter Ansatz verstärkt an Bedeutung: die Phagentherapie.
Bakteriophagen, oder kurz Phagen, sind bekanntlich Viren, die Bakterien infizieren und unschädlich machen können. Dabei dockt das Virus auf der bakteriellen Außenhülle an und injiziert sein Genom in den Wirt. Der Wirtsorganismus erkennt Teile des Genoms und beginnt mit der Herstellung viraler Proteine. Je nach Typ des Virus wird das virale Genom entweder in das bakterielle eingebaut (lysogener Lebensstil) – oder das Genom wird abgelesen und neue Viren produziert, bis die Bakterienzelle letztlich platzt (lytischer Lebensstil). Auch bei der lysogenen Variante steht am Ende die Zerstörung des Bakteriums. Diese wird jedoch nur eingeleitet, wenn der Wirt unter lebensbedrohlichen Stress gerät – beispielsweise durch Antibiotika, Nährstoffmangel oder UV-Strahlung.
Bei Bakteriophagen handelt es sich also im Prinzip um umhüllte, letztlich von ihrem Wirt replizierte DNA oder RNA. Sobald der Wirt nicht mehr vorhanden ist, kann sich der Phage nicht mehr vermehren. All dies sind Eigenschaften, die Bakteriophagen als biologisches Antibiotikum äußerst interessant machen.
Entdeckt wurden Bakteriophagen bereits 1915 durch den Briten Frederick Twort. Dieser beobachtete „durchsichtige“ Areale auf einem Bakterienrasen – sogenannte Plaques. Diese Plaques sind das Resultat einer örtlich begrenzten Zerstörung von Bakterienzellen (Lyse) [6]. Twort war jedoch nicht in der Lage, seine Beobachtung richtig zu interpretieren; erst der Kanadier Felix d’Hérelle schloss aus einer ähnlichen Beobachtung, die er 1917 höchstwahrscheinlich ohne Kenntnis von Tworts Resultaten machte, dass die Plaques das Ergebnis einer „antagonistischen unsichtbaren Mikrobe“ sein müssen [7].
D’Hérelle stand in Kontakt mit dem Georgier Giorgi Eliava, der sich ebenfalls sehr für die neu entdeckten Bakteriophagen interessierte. Nach diversen Versuchen, darunter auch einige an Menschen, eröffneten d’Hérelle und Eliava 1923 das Eliava-Institut für Bakteriophagen, Mikrobiologie und Virologie in Tiflis [8]. Das Institut entwickelte sich nachfolgend zu einem Hotspot der Phagenforschung.
Auch in Frankreich begann damals die Kommerzialisierung von Phagenpräparaten. D’Hérelles kommerzielles Labor stellte einige Präparate her, die durch einen Vorläufer der heutigen Firma L’Oréal vermarktet wurden. Auch die nordamerikanischen Pharmaunternehmen Abbott, Eli Lily, Parker-Davis und Squibb sowie Robert und Carrière in Europa vertrieben Phagenprodukte bis zum Beginn der 1940er Jahre [8]. Allerdings gab es Zweifel hinsichtlich der Wirksamkeit dieser Präparationen, da sie vermutlich wegen zu niedriger Konzentration der Phagen verbunden mit deren engem Wirtsspektrum nicht bei allen Patienten wirkten [9]. Ironischerweise war es schließlich die Massenproduktion des von Sir Alexander Flemming 1928 zufällig entdeckten Penicillins, welche die Bakteriophagen in der „westlichen Welt“ ab Mitte der 1940er Jahre zunächst auf das Abstellgleis schob.
In den Staaten der ehemaligen Sowjetunion hingegen blieben Phagen allgegenwärtig. Heutzutage können diese wie normale Medikamente in Apotheken in Georgien, Russland und anderen osteuropäischen Staaten erworben werden. In Warschau existiert seit 2005 eine eigene Krankenhausabteilung für Phagentherapie. Das Eliava-Institut in Tiflis existiert immer noch und beherbergt neben der Forschungsabteilung mittlerweile auch ein Therapiezentrum.
Diesen wertvollen Erfahrungen in der Anwendung von Phagen steht leider ein eklatanter Mangel an klinischen Studien gegenüber, die nach modernen Standards durchgeführt wurden. Insbesondere aus der Sowjetzeit sind keine randomisierten, Placebo-kontrollierten, doppelt verblindeten Studien bekannt. Insofern ist die Zögerlichkeit, mit der die Phagentherapie im „Westen“ an konkretem Interesse gewinnt, womöglich verständlich.
„Die Erfahrung mit der Phagentherapie ist sehr limitiert. Sie wird in einigen Ländern Osteuropas eingesetzt, aber da wurden sehr wenige wissenschaftliche Daten produziert. Die Bedingungen, um ein Phagen-Arzneimittel zu entwickeln, sind erst jetzt da“, sagt Lorenzo Corsini, Ko-Geschäftsführer der PhagoMed Biopharma GmbH. Das Wiener Unternehmen arbeitet derzeit unter anderem an einem Phagencocktail zur Behandlung infizierter Implantate.
Dass Phagen irgendwie anders als „normale“ Medikamente sind, erschließt sich vermutlich auch dem Laien. Die Besonderheit dieser biologischen Wirkstoffe liegt in ihrem Potenzial, sich eigenständig vermehren zu lassen und anzupassen. Denn genauso wie Bakterien resistent gegen Antibiotika werden, können sie auch Resistenzen gegen Bakteriophagen entwickeln. Die Phagen jedoch evolvieren ebenfalls und können somit bakterielle Resistenzen überwinden. Zudem vermehren sich die Phagen in den vorhandenen Wirtsbakterien. Anders als bei passiven Arzneimitteln wie Antibiotika, deren Konzentration nach der Einnahme stetig abnimmt, kann sich auf diese Weise die eingenommene Phagenmenge im Körper zunächst erhöhen.
Damit hat man jedoch zugleich ein Problem: Ein solch dynamisches Produkt stellt besondere Anforderungen an die klinische Testung wie auch an eine potenzielle Zulassung. Und diese sind mit den derzeitigen Regularien schlichtweg nicht abgebildet, da diese auf andere Wirkstofftypen ausgerichtet sind.
Die für die Zulassung von Arzneimitteln zuständige deutsche Behörde, das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) verweist zunächst auf die derzeit geltenden, durch die Europäische Arzneimittelagentur (EMA) festgelegten Guidelines für klinische Studien EMA/CHMP/BWP/534898/2008 rev. 1 und die Standards der International Conference on Harmonization (ICH) Q5C, Q5D und Q6B. Diese sind für die Zulassung und Good-Manufacturing-Practice-(GMP)-konforme Herstellung biologischer beziehungsweise biotechnologischer Produkte maßgebend. Das BfArM gibt allerdings zu, dass diese für Bakteriophagen unzureichend sind. Auf internationaler Ebene konnte man sich trotzdem bereits auf einige Critical Quality Attributes (CQA) einigen, die erreicht werden müssen – und somit zumindest die GMP-konforme Herstellung von Phagen ermöglichen sollen.
Lorenzo Corsini: „Es ist technisch nicht möglich, zwei Batches von einem Phagencocktail herzustellen, die exakt gleich sind. Durch die Replikation entstehen zwangsläufig kleine Mutationen, die zufällig auf dem Genom verteilt sind.“ Durch die Einigung auf die CQAs lasse sich trotzdem eine GMP-konforme Herstellung von Phagenlösungen realisieren. Wichtig sei, dass es sich nicht um lysogene Phagen handelt, keine Transduktion möglich ist und das Phagengenom keine mobilen genetischen Elemente enthält, die zu genetischer Instabilität führen können. Zudem müssen die Präparate unterhalb vordefinierter Grenzwerte für Schadstoffe wie bakterielle Endotoxine bleiben.
„Mittlerweile sind einige klinische Studien in einem FDA- oder EMA-regulierten Umfeld mit GMP-konform hergestellten Phagen gelaufen. Die Regulierungsbehörden haben also schon mehrere solcher GMP-Herstellungsprozesse gesehen und für gut genug bewertet, um damit klinische Studien am Menschen durchzuführen. Das hat sich extrem gewandelt“, erklärt Corsini.
Generell ist ein Bestreben der nationalen und internationalen Regulierungsbehörden erkennbar, zusammen mit Forschern und Unternehmen die Zulassungsfähigkeit von Phagen-Arzneien sicherzustellen und die entsprechenden Regularien zu optimieren. Dies zeigt sich unter anderem an der Teilnahme der Behörden an Konferenzen und Netzwerktreffen, wie unlängst das Auftreten des BfArM beim Arbeitstreffen des deutschen „Nationalen Forums Phagen“. Auch die EMA bemüht sich um den Dialog und hielt zuletzt im Jahr 2015 einen Workshop zum therapeutischen Einsatz von Bakteriophagen ab.
Wie wichtig diese Dialogangebote und eine stetige Optimierung der regulatorischen Vorgaben sind, zeigte die von 2015 bis 2017 durchgeführte „PhagoBurn“-Studie. Die klinische Phase-1/2I-Studie wurde durch die EU mitfinanziert und von der französischen Pharmafirma Pherecydes Pharma durchgeführt. Sie sollte die Wirksamkeit eines Phagencocktails gegen Escherichia coli- und Pseudomonas aeruginosa-Infektionen in Brandwunden evaluieren, wurde aber aufgrund mangelnder Wirksamkeit der Präparate vorzeitig beendet [10]. Das Problem: Die Flüssigpräparationen der Phagen waren instabil und die Phagenkonzentration dadurch weit niedriger als erwartet.
Ein ähnliches Phänomen war schon bei der zwischen 2009 und 2013 von Nestlé finanzierten klinischen Studie zur Testung eines Phagenpräparats gegen Durchfall bei Kindern aus Bangladesch aufgetreten [11]. Die Studie wurde ebenfalls vorzeitig beendet, da das getestete Präparat, bestehend aus dem Escherichia-coli-Phagen T4, keine besseren Resultate als die Standardtherapie zeigte.
Neben der Instabilität der Phagenlösungen schienen hier aber auch andere Faktoren eine Rolle zu spielen. So ging man davon aus, dass ein bestimmter E.-coli-Subtyp, Enterotoxische Escherichia coli (ETEC), in den meisten Fällen ursächlich für die Durchfallerkrankung sei. Es stellte sich aber heraus, dass nur bei sechzig Prozent der Probanden überhaupt ETEC im Stuhl nachgewiesen werden konnte – und dass der Nachweis nicht automatisch hieß, dass der Keim auch ursächlich für die Erkrankung war. Zudem lag der Erreger in derart niedrigen Konzentrationen vor, dass er keine adäquate Vermehrung des Phagen zuließ.
Dies zeigt, dass es bei Phagen-Arzneien nicht primär um die Frage geht, ob die Phagen selbst effektiv sind, sondern vielmehr darum, welche konkreten Bedingungen bei der Herstellung eingehalten werden müssen und gegen welchen Erreger der Wirkstoff tatsächlich eingesetzt werden soll.
Generell scheint die Studienlage bei BakterioPhagenpräparationen bisher etwas undurchsichtig und – gelinde gesagt – eher dürftig. Im Jahr 2005 begann das Institut für Immunologie und Experimentelle Therapie der polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau eine nicht näher definierte Studie zur Behandlung Antibiotika-resistenter Bakterien, zu der keine weiteren Informationen vorliegen. 2008 wurde eine Phase-1-Studie mit dem Phagencocktail WPP-201 am Southwestern Regional Wound Care Center in Lubbock, Texas, erfolgreich beendet. Die Studie, die unter Mitwirkung eines Anteilseigners des amerikanischen Unternehmens Intralytix durchgeführt wurde, untersuchte die Sicherheit eines Phagencocktails bei der Behandlung venöser Ulzerationen am Bein [12]. Eine Phase-2-Studie, in der die Effektivität des Cocktails hätte evaluiert werden müssen, blieb anschließend jedoch aus.
Im August 2016 beendete Armat Pharmaceuticals (früher AmpliPhi Biosciences) eine Phase-1-Sicherheits- und Dosiseskalations-Studie, deren Resultate nicht veröffentlicht wurden. In dieser Studie testete das Unternehmen ein topisches Phagenpräparat zur Behandlung von Infektionen mit Staphylococcus aureus an gesunden Probanden mit intakter Haut. Es folgten zwei „Härtefall“-Einsätze des nicht-zugelassenen Präparats an Patienten, die ansonsten „austherapiert“ waren [13, 14]. Nach Angaben der Firma befindet sich derzeit auch ein Präparat gegen respiratorische Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa in präklinischer Testung [15].
Intralytix Inc. aus dem amerikanischen Columbia rekrutiert zurzeit Probanden für eine Phase-1/2a-Studie, die die Sicherheit und Wirksamkeit ihres Präparates EcoActive gegen einen bestimmten pathogenen E.-coli-Typ in Patienten mit Morbus Crohn zeigen soll. Weiterhin steht die „PhagoPied“-Studie des „PhagoBurn“-Sponsors Pherecydes Pharma in den Startlöchern, die die Wirksamkeit eines Phagencocktails gegen Infektionen und Ulzeration des Fußes bei Diabetikern untersuchen soll.
Dabei fällt auf, dass die durchgeführten oder unmittelbar geplanten Studien sowohl den Erreger als auch die Indikation stark eingrenzen und in der Regel noch in der ersten klinischen Phase stecken. Es ist auch augenfällig, dass sich unter den beteiligten Firmen kein großer Pharmakonzern befindet.
So scheint es, als sei das Vorantreiben der Phagentherapie derzeit noch die Aufgabe öffentlicher Institute und Krankenhäuser sowie kleiner bis mittlerer Unternehmen. PhagoMed beispielsweise plant ab 2021 eine klinische Studie mit ihrem gegen Staphylococcus aureus entwickelten Phagencocktail PM-398. Das Präparat soll bei Implantat-Infektionen eingesetzt werden.
Die Deutsche Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) in Braunschweig ist derzeit in zwei Projekte zur Phagentherapie involviert. Zusammen mit dem Bundeswehrkrankenhaus Berlin und dem Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) in Hannover arbeiten die Braunschweiger an „PhagoFlow“, das durch den Innovationsfonds des Gemeinsamen Bundesausschusses gefördert wird. „PhagoFlow“ soll sich vor allem mit der magistralen, also ärztlich verordneten Herstellung von individuell auf den Patienten zugeschnittenen Phagenpräparaten beschäftigen. Für das zweite Projekt „Phage4Cure“ kooperiert das DSMZ ebenfalls mit dem ITEM und der Charité Berlin. Das Projekt hat zum Ziel, ein inhalatives Phagenmittel zur Behandlung von Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa zu entwickeln und wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.
Es ist also nicht nur auf der regulatorischen Ebene einiges in Bewegung. Zudem muss festgehalten werden, dass bei keiner der bisher durchgeführten Studien Nebenwirkungen beobachtet wurden. Als nächstes gilt es also, vor allem Herstellungsprozesse und Studiendesigns zu optimieren, um eine repräsentative Bewertung von Phagen als neue Wirkstoffklasse zu gewährleisten. Akteure aus Forschung, Unternehmen und Behörden befinden sich in kontinuierlichem Dialog und äußern sich zuversichtlich, dass Bakteriophagen langfristig eine echte Alternative zu Antibiotika darstellen und zumindest deren Verbrauch reduzieren können.
Vielleicht helfen die kleinen „Bakterienpiekser“ ja bald tatsächlich, die Schreckensvision eines „post-antibiotischen Zeitalters“ abzuwenden.
[1] Cassini, A. et al.; Attributable deaths and disability-adjusted life-years caused by infections with antibiotic-resistant bacteria in the EU and the European Economic Area in 2015: a population-level modelling analysis. Lancet Infect. Dis. 19: 56-66 (2019).
[2] Baars, C. & Lambrecht, O.; Pharmaceutical companies pulling out of antibiotic research. NDR Investigativ: https://www.tagesschau.de/investigativ/ndr/antibiotika-pharmakonzerne-163.html (Besucht: 12. Okt. 2019)
[3] Kurz informiert. Dtsch. Ärztebl. 114: xvi-xvi (2017).
[4] Seres Therapeutics – Clinical Trials Overview. https://www.serestherapeutics.com/clinical-trials/overview (Besucht: 12. September 2019)
[5] Study of a Candidate Clostridium Difficile Toxoid Vaccine in Subjects at Risk for C. Difficile Infection. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/results/NCT01887912 (Besucht: 12. Sep. 2019)
[6] Twort, F. W.; An Investigation on the Nature of Ultra-Microscopic Viruses. Lancet 186, 1241–1243 (1915).
[7] D’Hérelle, F.; On an invisible microbe antagonistic to dysentery bacilli. Comptes Rendus Acad. des Sci. 165: 373-75 (1917).
[8] Fruciano, E.; Phage as an antimicrobial agent: d’Herelle’s heretical theories and their role in the decline of phage prophylaxis in the West. Can. J. Infect. Dis. Med. Microbiol. 18: 19-26 (2007).
[9] Sulakvelidze, A. & Alavidze, Z.; Bacteriophage Therapy – A Mini Review. Antimicrob. Agents Chemother. 45: 649-59 (2001).
[10] Jault, P. et al.; Efficacy and tolerability of a cocktail of bacteriophages to treat burn wounds infected by Pseudomonas aeruginosa (PhagoBurn): a randomised, controlled, double-blind phase 1/2 trial. Lancet Infect. Dis. 19: 35-45 (2019).
[11] Sarker, S. A. et al.; Oral Phage Therapy of Acute Bacterial Diarrhea With Two Coliphage Preparations: A Randomized Trial in Children From Bangladesh. EBioMedicine 4: 124-37 (2016).
[12] Rhoads, D. D. et al.; Bacteriophage therapy of venous leg ulcers in humans: results of a phase I safety trial. J. Wound Care 18: 237-43 (2009).
[13] Individual Patient Expanded Access for AB-SA01, an Investigational Anti-Staphylococcus Aureus Bacteriophage Therapeutic. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03395769?term=armata&rank=1 (Besucht: 19. Sep. 2019)
[14] Individual Patient Expanded Access for AB-PA01, an Investigational Anti-Pseudomonas Aeruginosa Bacteriophage Therapeutic. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03395743?term=armata&rank=2 (Besucht: 19. Sep. 2019)
[15] Ascending Dose Study of the Safety of AB-SA01 When Topically Applied to Intact Skin of Healthy Adults. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02757755?term=armata&rank=6 (Besucht: 19. Sep. 2019)