Polysorbate, Biotherapeutika und Anaphylaxie: Ein Überblick

Der rasch zunehmende Einsatz von monoklonalen Antikörpern (MAbs) bei der Behandlung von neoplastischen, Autoimmun- und Entzündungskrankheiten hat weltweit zu einem dramatischen Anstieg von Überempfindlichkeitsreaktionen geführt, was den Einsatz von MAbs als Erstlinientherapie erschwert und das Überleben und die Lebensqualität der Patienten einschränkt (1). Die Ursprünge der Anaphylaxie sind nicht gut verstanden, obwohl ihr Mechanismus recht einfach ist (Abbildung 1). In der Regel wird die Anaphylaxie auf eine unbestimmte intrinsische Eigenschaft oder Eigenschaften eines Biotherapeutikums zurückgeführt, obwohl biotherapeutische Formulierungen notwendigerweise komplex sind und eine Vielzahl funktioneller Hilfsstoffe enthalten. Diese helfen den Arzneimitteln, die strengen Anforderungen an Haltbarkeit, Stabilisierung, Löslichkeit, Rekonstitution nach Lyophilisierung und die Neigung von Proteinen zur Aggregation zu erfüllen – insbesondere bei den hohen Konzentrationen, die typischerweise verwendet werden, um das Verabreichungsvolumen und die Verabreichungszeit von MAb zu reduzieren.

Ungefähr 70 % aller MAb-Formulierungen enthalten entweder PS-20 oder PS-80 (2). Tenside aus der Gruppe der Polysorbate (PS) gehören zu den Hilfsstoffen, die in vielen Biotherapeutika eingesetzt werden, um die Proteinaggregation und den damit verbundenen Wirkungsverlust zu verhindern. Obwohl Polysorbate in dieser Funktion wirksam sind, enthalten sie Etherbindungen (innerhalb von Polyoxyethyleneinheiten) und ungesättigte Alkylketten, die in wässrigen Lösungen spontan selbst oxidieren und immunogene und anaphylaktogene chemische Spezies bilden, darunter Hydro- und Alkylperoxide, Epoxysäuren und reaktive Aldehyde wie Formaldehyd und Acetaldehyd. Polysorbate hydrolysieren auch in wässrigen Lösungen und setzen freie Fettsäuren frei, die die Trübung der Lösung erhöhen können. Die Schwankungsbreite von Charge zu Charge übersteigt eine Größenordnung in der Konzentration chemisch reaktiver Spezies wie Peroxide (3).

Die Immunogenität von Biotherapeutika ist ein ernstes und wachsendes Problem für die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) und die Europäische Arzneimittelagentur (EMA). Sie wird weiterhin einen bedeutenden und wachsenden Einfluss auf die Entwicklung und Zulassung sowohl von Biosimilars als auch von neuen innovativen Biotherapeutika haben (4).

Anaphylaxie hingegen ist eine allergische Reaktion, die zwar schwerwiegend ist, aber im Allgemeinen übersehen und als unvermeidliche Eigenschaft von biotherapeutischen Proteinen selbst akzeptiert wird. Es wurden nur wenige oder gar keine Versuche unternommen, ihre tatsächliche Ursache in Biologika zu differenzieren und auszusondern. Obwohl die unerwünschte Polysorbat-induzierte Immunogenität gut dokumentiert ist, wurde der Polysorbat-induzierten Anaphylaxie bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt (5-14). Die Zulassungsbehörden konzentrieren sich bei der Bewertung von Biosimilars verständlicherweise stark auf eine vergleichbare Wirksamkeit. Eine vergleichbare Wirksamkeit bedeutet jedoch nicht zwangsläufig ein ähnliches Sicherheitsprofil zwischen innovativen Produkten und Biosimilars. Sowohl unerwünschte Immunogenität als auch Anaphylaxie sollten wichtige Bestandteile der Sicherheitsbewertung von Biotherapeutika sein.

Anaphylaxie setzt in der Regel schnell ein und manifestiert sich über Minuten bis Stunden. In einigen Fällen kann sie zum Tod führen (15, 16). Der zugrundeliegende Mechanismus ist die Freisetzung von Mediatoren aus bestimmten Arten von weißen Blutkörperchen, die entweder durch immunologische oder nicht-immunologische Mechanismen ausgelöst werden können (16). Zu den häufigsten Ursachen gehören Insektenstiche, Nahrungsmittelallergien und Medikamente.

In der letztgenannten Kategorie sind die häufig verwendeten Polysorbat-Hilfsstoffe PS-80 und PS-20 in über 70 % der MAb und anderen Protein-Biotherapeutika enthalten, und es hat sich nun gezeigt, dass sie bei Patienten, die diese Medikamente erhalten, Anaphylaxie auslösen können. Die Anaphylaxie-Symptome treten innerhalb von Minuten bis Stunden auf, im Durchschnitt innerhalb von 5-30 Minuten, wenn die Exposition intravenös erfolgt, und betreffen die Haut, die Atemwege, den Magen-Darm-Trakt, das Herz und die Blutgefäße sowie das zentrale Nervensystem (15). Zu den Symptomen gehören Nesselsucht, Juckreiz, Rötung oder Schwellung (Angioödem), Ödeme im Zungen-, Kehlkopf- und Rachenraum, laufende Nase und Bindehautödeme. Zu den möglichen respiratorischen Symptomen gehören Kurzatmigkeit, Bronchialspasmen und eine Obstruktion der oberen Atemwege infolge der Schwellung (17-19). Ein Spasmus der Koronararterien kann mit einem Blutdruckabfall oder einem Schock einhergehen, der manchmal zu einem nachfolgenden Herzinfarkt, Herzrhythmusstörungen oder Herzstillstand führt. Die Behandlung von Anaphylaxie umfasst die flache Lagerung des Patienten und die Verabreichung von Antihistaminika, Steroiden, intravenöser Flüssigkeit und intramuskulärem Epinephrin (17, 20).

Unter den Biotherapeutika wurden Überempfindlichkeitsreaktionen und Anaphylaxie bei einer Reihe von MAbs – Rituximab, Ofatumumab, Obinutuzumab, Trastuzumab, Cetuximab, Tocilizumab, Infliximab, Etanercept, Adalimumab, Abciximab, Golimumab, Certolizumab, Brentuximab, Bevacizumab und Omalizumab -, die alle mit Polysorbat-Tensiden formuliert sind (1, 5, 21).

Chemische Natur der Polysorbate: Polysorbate spielen in biotherapeutischen Formulierungen eine positive Rolle. Sie verhindern die Aggregation, was wichtig ist, da aggregierte Proteine immunogen sind und das Immunsystem des Patienten zur Bildung neutralisierender Antikörper veranlassen können, wodurch die Wirksamkeit eines verabreichten Arzneimittels verringert oder aufgehoben wird. Eine Reihe von Mängeln im Zusammenhang mit Polysorbaten muss jedoch dringend behoben werden, insbesondere jetzt, da Biotherapeutika bei der Behandlung einer wachsenden Zahl von Krebserkrankungen und anderen schweren lebensbedrohlichen Krankheiten eine immer wichtigere Rolle spielen.

Polysorbate sind komplexe Ester strukturell unterschiedlicher und (in einigen Fällen) chemisch reaktiver Arten. PS-20 und PS-80 (Tween 20 und Tween 80) sind Gemische aus strukturell verwandten Fettsäureestern von Polyoxyethylensorbitan und Laurinsäure bzw. Ölsäure. In PS-20 macht die Monolauratfraktion 40-60 % der Alkylketten aus, der Rest der Moleküle besteht aus Alkylgruppen unterschiedlicher Kettenlänge. In PS-80 stammen etwa 60 % der Alkylketten aus Ölsäure, der Rest der Ester stammt von anderen Fettsäuren (22). Alle handelsüblichen Polysorbate enthalten auch messbare Mengen an Polyoxyethylen-, Sorbitanpolyoxyethylen- und Isosorbidpolyoxyethylen-Fettsäureestern (22-24).

Polysorbate unterliegen einer intrinsischen Selbstoxidation, wobei reaktive Hydro- und Alkylperoxide (25-30) sowie reaktive Aldehyde wie Formaldehyd und Acetaldehyd (31) entstehen, die die Immunogenität löslicher Proteine induzieren.

Polysorbat-induzierte Anaphylaxie
Die anaphylaktogenen Eigenschaften von PS-80 sind in der klinischen Literatur gut dokumentiert. Die Identifizierung der genauen mechanischen Ursache der Polysorbat-induzierten Anaphylaxie wird durch die komplexe chemische Natur der Polysorbat-Tenside erschwert. In präklinischen Tierstudien wurde eine Reihe spezifischer molekularer Spezies identifiziert, die Anaphylaxie auslösen.

Bereits 1985 wiesen Masini et al. eine Polysorbat-induzierte Histaminfreisetzung in peripheren Geweben und isolierten Mastzellen sowie hämodynamische Reaktionen nach (32). Im Jahr 1997 berichteten Bergh et al., dass die Exposition gegenüber wässrigen Lösungen von PS-80 an der Luft Formaldehyd und Acetaldehyd in Mengen erzeugt, die bei einigen Personen allergische Reaktionen auslösen können (33). Die letztgenannten Autoren warnten die Entwickler von Arzneimitteln prophetisch, die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, dass sich bei der Herstellung, Lagerung und Handhabung von Produkten, die Polysorbat und chemisch ähnliche Tenside enthalten, allergene Verbindungen bilden.

Coors et al. führten eine gründliche Untersuchung von PS-80 als Auslöser schwerer anaphylaktoider Reaktionen durch (34). Sie wendeten eine Vielzahl anerkannter und empfindlicher Nachweismethoden an, darunter Hautstichtests, Enzymimmunoassays (ELISA), Immunoblotting von Immunglobulin E (IgE) und den durchflusszytometrischen Nachweis der Basophilenaktivierung bei Kontrollpatienten und anderen Patienten mit anaphylaktischem Schock nach intravenöser Verabreichung eines Multivitaminpräparats während der Schwangerschaft (ein Surrogat für intravenös verabreichte Arzneimittel). Weder die ELISA-Tests noch die Immunoblots wiesen polysorbatspezifische IgE-Antikörper nach, was die nicht-immunologische Natur der anaphylaktoiden Reaktion bestätigte. Diese Studie zeigte, dass PS-80 schwere nicht-immunologische anaphylaktoide Reaktionen hervorrufen kann.

Sun et al. untersuchten die Sensibilisierungswirkung von PS-80 aus verschiedenen Produktionschargen bei Hunden und beobachteten unterschiedliche Grade anaphylaktoider Reaktionen (35). In ähnlicher Weise stellten Yang et al. bei der Bewertung von 10 Chargen von PS-80-Lösungen verschiedener Lieferanten fest, dass spontan gebildete PS-80-Verunreinigungen wie Peroxide und oxidierte Fettsäurereste (die in jeder getesteten Charge in unterschiedlichem Maße vorhanden waren) anaphylaktoide Reaktionen in einem In-vivo-Zebrafischmodell auslösten (36).

Qiu et al. wiesen nach, dass Polysorbat 80 bei Hunden typische nicht-immune anaphylaktische Reaktionen (Pseudoallergie) auslöst, die durch die Freisetzung von Histamin und unveränderte IgE-Antikörper gekennzeichnet sind (37). PS-80 induzierte eine Histaminfreisetzung mit einem zweifachen Anstieg von SC5b-9, einem 2,5-fachen Anstieg von C4d und einem 1,3-fachen Anstieg von Bb, während IgE unverändert blieb. PS-80 verursachte bei Hunden kardiopulmonale Beschwerden und aktivierte ihr Komplementsystem über klassische und alternative Wege, wie für In-vivo- und In-vitro-Präparate angegeben.

Mit der zunehmenden Bedeutung und dem routinemäßigen Einsatz einer wachsenden Zahl von Biotherapeutika nehmen auch die klinischen Berichte über Polysorbat-induzierte Anaphylaxie zu. So traten beispielsweise bei zwei Patienten, die Omalizumab erhielten, Reaktionen nach der Verabreichung auf (38). Intrakutane Tests ergaben signifikante Quaddel- und Flare-Reaktionen (Nesselsucht und Angioödem) auf PS-20, die bei negativen Kontrollpersonen nicht auftraten. Die immunologischen In-vitro- und In-vivo-Daten stützen die Schlussfolgerung, dass die unerwünschten Reaktionen, die bei den beiden Patienten nach mehr als einem Jahr erfolgreicher Omalizumab-Therapie auftraten, wahrscheinlich anaphylaktoider Natur waren. Die Autoren eines früheren Berichts über eine ungeklärte Omalizumab-Anaphylaxie hatten einen möglichen Zusammenhang mit PS-20 nicht in Betracht gezogen (39).

Patienten, die die Erythropoietin- und Darbepoietin-Wachstumshormone erhalten, haben ebenfalls Überempfindlichkeitsreaktionen entwickelt (40). Aufgrund der anschließenden Hauttests und der beobachteten klinischen Symptome kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die Ursache für diese Reaktionen der Hilfsstoff PS-80 war. Die Autoren glauben auch, dass dies zu einer damit verbundenen Inzidenz reiner Erythrozytenaplasien beigetragen haben könnte.

In einer Studie, in der Etoposidformulierungen mit und ohne PS-80 unter Verwendung desselben Prämedikationsprotokolls verglichen wurden, zeigte ein Patient eine Überempfindlichkeitsreaktion auf die PS-80-haltige Formulierung, aber keine auf die Etoposidformulierung ohne PS-80 (41). Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Überempfindlichkeitsreaktion wahrscheinlich auf PS-80 und nicht auf Etoposid selbst zurückzuführen war.

Badiu et al. berichteten über mehrere Fälle von PS-80-induzierter Anaphylaxie nach Verabreichung einer Reihe von Impfstoffen (42). Bei einem 17-jährigen Mädchen traten eine Stunde nach der dritten intramuskulären Verabreichung des vierwertigen humanen Papillomavirus-Impfstoffs Gardasil (Merck), der PS-80 enthält, eine generalisierte Urtikaria, ein Angioödem der Augenlider, Rhinokonjunktivitis, Dyspnoe und Keuchen auf. Intradermale Tests waren bei diesem Produkt positiv, während Hauttests mit dem bivalenten Impfstoff (der kein PS-80 enthält) negativ waren. Pricktests mit PS-80 waren bei dem Patienten positiv und bei 10 gesunden Kontrollpersonen negativ. Das Ergebnis des CD203-Basophilen-Aktivierungstests war in allen getesteten Verdünnungen negativ für PS-80, und es wurde kein spezifisches IgE gefunden. Die Autoren führten auch Hauttests mit zwei Grippeimpfstoffen durch: einem PS-80-haltigen (Fluarix von GlaxoSmithKline), der zu einer positiven Reaktion führte, und einem anderen Grippeimpfstoff ohne Adjuvans oder Konservierungsmittel (Vaxigrip von Sanofi Pasteur MSD), der negative Ergebnisse lieferte.

Limaye et al. berichteten über einen Fall einer allergischen Reaktion auf Erythropoietin, bei dem ein Patient eine generalisierte Pruritis, Erythem und ein orofaziales Angioödem entwickelte (43). Die Eprex-Erythropoietin-Formulierung (Johnson & Johnson) enthielt rekombinantes humanes Erythropoietin und PS-80 als Hilfsstoff (0,15 mg/mL). Hautprick- und sequenzielle Intrakutantests mit ansteigenden Konzentrationen dieses Präparats und des Neupogen Filgrastim von Amgen (mit einem Polysorbatgehalt von 0,04 mg/ml) ergaben positive Reaktionen, während ein polysorbatfreies Erythropoietinpräparat negative Testergebnisse lieferte. Intrakutane Tests mit Polysorbat in pharmazeutischer Qualität führten zu einer positiven lokalen Reaktion, gefolgt von einem leichten orofazialen Angioödem eine Stunde später. Bei einer Kontrollperson wurde keine Reaktion beobachtet (43). Purcell et al. identifizierten ebenfalls Polysorbat 80 als wahrscheinliche Ursache einer Immunreaktion auf Erythropoietin, als Humanalbumin durch Polysorbat 80 und Glycin ersetzt wurde (44).

Überempfindlichkeit gegen Arzneimittel und Anaphylaxie wurde für Faktor VIII, Darbopoietin, Erythropoietin und eine Reihe von Antikörpern berichtet, die alle ein Polysorbat-Tensid enthalten (1, 5, 21, 43). Urtikarielle Läsionen wurden bei Patienten beschrieben, die mit Infliximab, Adalimumab, Etanercept und Ustekinumab behandelt wurden – vier MAb-Medikamente, die Polysorbat 80 enthalten (45-47). Darüber hinaus wurde über Polysorbat-induzierte anaphylaktische Reaktionen bei nicht-biologischen Arzneimittelklassen, die Polysorbat enthalten, berichtet: Vitamin A (48), bestimmte Steroide (49-51) und das antivirale Medikament Acyclovir (52).

Unterscheidung zwischen MAb- und PS-induzierter Anaphylaxie
Obwohl klar ist, dass Polysorbate anaphylaktische Reaktionen auslösen können und dies auch tun, scheint es, dass in den derzeitigen klinischen Studien nicht versucht wird, zwischen der durch Polysorbate und der durch Arzneimittel induzierten Anaphylaxie zu unterscheiden. Um dies zu tun, müssten separate Fahrzeugstudien durchgeführt werden. Anaphylaxie tritt nur bei einem kleinen Teil der Patienten auf, die alle eine unterschiedliche Expositionsgeschichte gegenüber Polysorbaten aus früheren Behandlungen haben. Die Auswahl mehrerer Kontrollkohorten (ohne frühere Polysorbatexposition und mit früherer Exposition über unterschiedliche Zeiträume) ist daher unerschwinglich und würde die ohnehin schon teuren klinischen Tests und die behördliche Zulassung noch weiter verteuern. Die Substitution alternativer nichtionischer Tenside wie Alkylsaccharide in Biosimilars und der anschließende Vergleich der Anaphylaxieraten in klinischen Studien könnte eine erste Antwort auf diese Frage geben (3, 4).

Prävention des Problems
Die klinischen und kommerziellen Anreize für den Ersatz von Polysorbaten sind eindeutig. Für innovative Biotherapeutika würde die Minimierung der Anaphylaxie erhebliche klinische und sicherheitstechnische Vorteile für die Patienten bieten – und möglicherweise den Zeit- und Kostenaufwand für die Vorbehandlung mit Antihistaminika und Steroiden verringern. Angesichts von mehr als 900 Biosimilars und mehr als 600 Biobettern, die sich derzeit in der Entwicklung befinden (53), sind einige Branchenexperten aufgrund der hohen Entwicklungskosten zu dem Schluss gekommen, dass der Preis von Biosimilars nur 20 % unter dem von entsprechenden innovativen Produkten liegen könnte.

Dies stellt für Ärzte eine Hürde dar, die es rechtfertigt, Patienten von gut charakterisierten innovativen Produkten auf neu eingeführte Biosimilars umzustellen, ohne dass ein klarer und wesentlicher klinischer Nutzen geboten wird. Das Ersetzen von Polysorbaten durch Tenside, die Anaphylaxie-Episoden minimieren, ohne einen fortschreitenden Proteinabbau oder eine erhöhte Immunogenität zuzulassen, würde einen kritischen Bedarf decken und gleichzeitig einen wesentlichen differenzierenden klinischen Nutzen für alle Beteiligten bieten: Patienten, Ärzte und Kostenträger.

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Edward T. Maggio, PhD, ist Präsident und Chief Executive Officer von Aegis Therapeutics LLC, 11770 Bernardo Plaza Court, Suite 353, San Diego, CA 92128; 1-858-618-1400, Fax 1-858-618-1441, Mobil 1-858-967-6840; [email protected].