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. 2018 Mar 22;97(Suppl 1):S142–S184. doi: 10.1055/s-0043-123484

Biologics in Rhinology – Forthcoming Personalized Concepts: the Future Starts Today

Adam M Chaker 1,
PMCID: PMC6541111  PMID: 29905356

1. Biologicals and new treatment options of stratified medicine

The design of biological pharmaceutics is based on a profound mechanistic understanding of disease processes. Generally they consist of large-molecular substances that were synthesized by living organisms. Most commonly, biologics mediate their effects via selective binding of cytokines or their specific receptors 1 . In this introduction, first development and classification, biochemical specifics, immunological effects, current trends and finally characteristic side effects will be described.

1.1 Biological medical substances: definition

The European Medical Agency (EMA) defines biologics (or biological medicinal products) as biopharmaceutical medicinal products that are applied in vivo as biological medicinal substance and will usually be applied as therapeutic agents. Furthermore, they include biotechnologically produced active substances, e. g., therapeutic antibodies and recombinant proteins but also vaccines and allergens, blood and plasma products as well as recombinantly produced alternatives 2 . In the daily language of life-science and medicine, the term of biologics was established mainly for therapeutic antibodies and rarely also for recombinant therapeutic proteins.

1.2 Development and historical milestones

Based on mechanistic studies, molecular biology and genetic basic research, therapeutic target structures were developed in the 1990ies and validated in animal models as well as in human translational models before clinical testing. By means of a procedure developed by Milstein and Köhler (Nobel Prize for Medicine in 1984) 3 , therapeutic antibodies may be produced by immortalized hybrid B cells from myeloma cell cultures for nearly every target structure. Further biotechnological procedures allowed synthesizing, validating, and approving new biopharmaceutics, e. g., recombinant insulins (first approval by the FDA in 1982) 4 . This development was further fueled by the transfusion scandals of the 1980ies, accidental transmission of HIV or HCV to hemophilia patients and the contamination by Creutzfeld-Jakob in the context of pituitary extracts for growth hormone substitution. Also recombinant coagulation factors 5 6 and growth hormone (approval by the FDA in 1985) 7 8 were produced by means of biotechnology.

1.3 First biologicals, hybrid molecules, and concept-related advantages and disadvantages

In particular for usage in oncology and autoimmunity, promising monoclonal neutralizing antibodies have been constructed, fusion proteins with binding capacity (etanercept), with or without intrinsic activity (IL-4 mutein), receptor antagonists, bi- and trispecific antibodies that may bind different target structures and at the same time activate for example T cells. In the former dual immunological conception of Th1/Th2 inflammations 9 10 , recombinant cytokines were intended to restore the inflammatory balance, e. g., by application of recombinant IL-12 in cases of asthma 11 or e. g., IL-10 12 and IL-11 13 for psoriasis. In contrast as for example to interferon therapy for treatment of multiple sclerosis or viral hepatitis, those trials did not reach their endpoints consistently and sometimes showed relevant side effects. Hence, these therapeutic approaches have not been pursued.

Beside the possible variety of biologically potentially applicable therapeutic proteins, at the same time a high range of biotechnological expression systems has been developed 14 . After initial prokaryotic systems, successively eukaryotic expression systems have been developed that made available also larger and glycosylated proteins with complex tertiary and quaternary structure in reproducibly high and therapeutic quality. Even with regard to optimization of therapeutic antibodies to target epitopes and the development of extraction processes, enormous pioneering work was done 15 16 17 18 19 .

While biologically active human insulin has a molecular weight of approx. 5,000 Daltons, the growth hormone somatotropin has a molecular weight of about 22,000 Daltons 20 . A monoclonal antibody has about 150,000 Daltons; for comparison, the molecular weight of acetylsalicylic acid is approx. 180 Daltons. The first therapeutic antibodies were developed as chimeric proteins with relatively high murine or other xenobiological portions and increasingly humanized. This led to a significantly improved tolerance, effectiveness, and safety for the patients. This development is also reflected in the nomenclature of the biologics: The anti-CEA antibody arcitumomab approved in 1996 was only murine, the therapeutic TNF-α antibody Infliximab, approved in 1999, was a chimeric antibody, the herceptin antibody trastuzumab and the anti-IgE antibody omalizumab were humanized antibodies, and the TNF-α antibody adalimumab was completely human ( Fig. 1 and 21 ).

Fig. 1.

Fig. 1

Depiction of the international non-proprietary names (INN) for the development of humanized and human antibodies (Creative Common Licence, cited from 21 , Paul W.H.I. Parren et al., 2017, mABS).

1.4 Immunogenicity

Beside an intended immunological effect, usually an undesired immunological reaction occurs on biologically active and mostly exogenous substances in the recipient or host organism, which is called immunogenicity. The murine or xenobiological portions on the one hand and the glycosylation pattern on the other hand determine significantly the immunogenicity of the active biological substance. This leads to for example ADAs (anti-drug antibodies) that at best are neutralizing and lead to ineffectiveness of the applied biological drug, but also potentially to immunological phenomena such as autoimmune hemolysis, cytokine release syndrome, mast cell activation, immune complex hypersensitivity and serum disease. Examples in this context are the relatively high rates of reactions against infliximab or rituximab, which consist of a significant murine proportion 22 23 . Finally, those biologically active substances are complex, large, biotechnologically produced pharmaceutics. Methodological details during production as well as cooling, light, pH, transportation, and application may lead to small molecular changes with potential alterations, such as loss of effectiveness, molecular aggregates, and increased immunogenicity. Furthermore, cross-reacting epitopes may lead to fatal anaphylaxis, especially when the antigens share amino acid sequences with IgE epitopes, e. g., cetuximab.

1.5 Anaphylaxis against biologics: the example of cetuximab

In 2003, the EGF receptor antibody cetuximab was approved in the USA (FDA) and in 2004 in Europe (at that time: EMEA), first for the treatment of advanced colon cancer. Since the publication of pivotal trials on combination therapy, it is also applied for advanced head and neck carcinomas 24 25 26 . Already during approval studies in the early 2000ies, regional differences became apparent in the USA with regard to the incidence of anaphylactic reactions. In 2007, O’Neil could show that the first administration of the drug had a global probability of less than 3% to develop anaphylactic reactions. In the middle southeast of the USA, however, e. g., in Virginia, this rate amounted to up to 20% 27 28 . This reaction is of completely different nature compared to the relatively frequent cutaneous reactions 29 . In 2013, Platt-Mills and colleagues could clarify the mechanism of sensitization and association with tick bites and allergy against red meat 30 31 . The regional distribution of a tick species, the so-called lone-star tick, leads to the development of galactose-alpha-1.3-galactose (alpha-GAL) specific IgE antibodies after tick bite. Alpha-GAL is a nearly ubiquitously expressed oligosaccharide of glycoproteins of the cell surface in all non-primate mammalians, prosimians, and new world monkeys. In primates (old world monkeys and humans), about 1% of the circulating IgG pool correspond to alpha-GAL antibodies, and alpha-GAL is a relevant biological obstacle of a simple xenotransplantation 32 . Since 2014, commercial test systems are available that can be applied to determine specific IgE against alpha-GAL. The exclusion of sensitization to avoid anaphylactic reactions prior to application of humanized antibodies can be life-saving for patients with high-risk profiles. High-risk patients are individuals with many tick bites (e. g., forestry professionals), with cat allergy, and pork-cat syndrome 33 . The determination of alpha-GAL in this high-risk cohort is a showcase of personalized medicine according to the WHO definition: avoiding side effects by specific characterization of patients.

1.6 Intended immunological effects and temporary immune phenomena

The effect that is inherent to most therapeutic antibodies is the impact on immunological processes, e. g., by antagonizing or eliminating messenger substances of the inflammation cascade (e. g., anti TNFα, anti-IL-1, anti-IL-5) ( Fig. 2 ).

Fig. 2.

Fig. 2

On the left, a mucosal immune reaction against allergens under the influence of further pathogens in the sense of sensitization. Hereby, alarmines (IL-25, IL-33, and TSLP), proinflammatory cytokines (e. g., IL-4, IL-5, IL-13), antigen-presenting cells (APC), innate lymphoid cells (ILC) as well as T helper cells and B cells are depicted. On the right, the situation of a re-exposition is displayed involving mast cells as well as cellular late stage reaction with the influx of eosinophilic granulocytes and T helper cells under secretion of multiple cytokines and use of intercellular signaling pathways (according to 1 , Boyman et al., Allergy, 2015). The mechanistic characterization of these different inflammatory pathways allows a targeted therapy by e. g., therapeutic antibodies for the processes in the epithelium as well as in the subepithelial stroma (licensed by RightsLink/John Wiley and Sons).

The transition from undesired to intended immunological effects is fluid. Bi- or even trispecific antibodies such as for example catumaxomab that are applied for advanced oncologic diseases such as malignant ascites and hereby bind to the Fc receptor and to the activating T cell receptor CD3 and to the epithelial cell adhesion molecule EpCAM, activate the immune system in a targeted way and beside the antineoplastic main effect, they generate an inflammatory co-activation by cytokine release, however, with significant side effects.

Another intended effect is the inhibition of regulatory immunological processes on T cell level in vivo by checkpoint kinase inhibitors such as the inhibition of CTLA-4 by ipilimumab as well as inhibition of PD-1 by nivolumab or pembrolizumab (overview to be found in 34 ).

In some cases, autoimmune phenomena or side effects caused by biologics, as for example rituximab, are causally co-treated de facto on B cell level by further continuously administering the same drug 35 .

1.7 Biosimilars

The complexity and size of the molecules, their different expression systems and production processes do not allow real generics of biological products even after expiration of patent protection. Therefore, the concept of biosimilars was developed 36 . Ledford 37 defined biosimilars as an inexact copy of a reference substance. The major question from the immunological point of view is: How similar do biosimilars have to be compared to the original substance, or more bluntly: how similar is similar? The instrumental definition of the EMA considers a biosimilar as highly similar to the original substance in all relevant aspects, i. e., effective mechanism, safety, production process. In the European Union, at least one clinical trial is required from the manufacturers of biosimilars to document the biological equivalence which implicates a relevant switchability of the biosimilar with the originator substance. In addition, extensive immunogenicity data and data on the production process have to be made available. From this regulatory context it is mandatory for the manufacturers to commit themselves to permanent pharmacovigilance and extensive quality management. If the biological equivalence is confirmed, the biosimilar may be introduced onto the market under the INN name. Based on this certified equivalence, the approval authorities can allow an extrapolation, i. e., based on the available data, it is assumed that the biosimilar works also in all other approved indications, equivalently to the originator substance 38 39 . The switchability and the extrapolation are the aspects that are controversially discussed among Immunologists because the majority of patients with autoimmune diseases receive this medication in addition to other immunomodulatory treatments. Thus, the evaluation of the induction of ADAs and the switchability are particularly complex. On the basis of the data that are currently available for the approval authorities, however, the possibility of switching the approved biosimilars is assumed 38 . Pharmaceutics that are very similar to an originator substance but that do not pass this regulatory process (e. g., in the EU controlled by the EMA, in the USA by the FDA), are called intended copies. Those drugs can be purchased for example in emerging countries but they are not approved in the EU.

Biobetters are substances that dispose of more favorable properties for therapy due to small selective changes leading to altered physico-chemical properties, changed binding capacities, or modified degradation or clearance. One example in this context are insulins that have a longer-lasting effects or pegylated antibodies that increase for example the bio-availability due to binding with polyethylene glycol (PEG) 40 .

1.8 Small molecules and DNAzyme

Those pharmaceutics have also been developed with a rational design based on mechanistic studies, but contrary to prevailing assumption, they are no biologics. Many of the small molecules often act as tyrosine kinase inhibitors and require certain genetic subtypes or expression of markers for successful therapy. In this way, they are of particular significance for precision medicine. However, because of their physico-chemical properties, their approach is completely different and so they are typical pharmaceutics, generally with a size of up to 800 Daltons. They have been established especially in the field of clinical oncology. Activating EGFR mutations are found in 10–15% of the patients with lung cancer (e. g., non-smokers, adenocarcinomas) that are therefore suitable for treatment with gefitinib 41 . Inhibitors of janus kinases (so-called JAK inhibitors), which mediate the activity of cytokine receptors as cytoplasmatic tyrosine kinase, can be applied as e. g., the small molecule tofacitinib in autoimmune diseases 42 and possibly also as supporting immune modulator in the allergen specific immune therapy 43 . As selective chloride channel enhancers, the substances ivacaftor and lumacaftor are a new and promising therapeutic option for patients with cystic fibrosis and a delta F508 mutation of the CFTR gene and lead to a reduction of pulmonary exacerbation 44 45 .

A topical effect induced by DNAzymes that are targeted for example effectively and specifically against the Th2 transcription factor GATA3 and thus inhibit all downstream immuno-pathological Th2 reactions 46 is also mechanistically elegant but according to the definition they are no biologics.

1.9 Costs

The global market for biologics in 2020 is estimated to amount to 350 billion Euro 47 . In 2016, in Germany biological drugs were prescribed for around 6.4 billion Euro within the statutory healthcare system, corresponding to 19% of the overall turnover of all drugs and 2.5% of all prescriptions 49 . Possible cost reductions by biosimilars are estimated to approx. 20–30% because the regulatory obstacles for approval and pharmacovigilance are very high. Currently, 28 biosimilars are approved for application in the EU. It should be noted that cost reductions by competition are possible in particular where several biosimilars are approved whereby the market shares of biosimilars do not necessarily correlate with the prizes 49 .

This calculation however does not include the increasing incidence of prescriptions because the multitude of new molecules as well as the increasing number of indications and a corresponding market penetration can be observed. For the EU and the USA, IMS Health expects possible economies of 50–100 billion US$ between 2016 and 2020 by application of biosimilars.

2. Rhinology: Epidemiology and pathophysiological concepts

Rhinology deals with diseases of the outer and inner nose, the paranasal sinuses as well as the frontobase and their surgical and conservative therapy. As outpost and door of the airways, the nose in this context is an organ that has esthetic, functional, and immunological tasks and works as sensory, filter, and reaction organ 50 .

2.1 Physiology of the nasal mucosa and the integrated mucosal immune system

The nasal mucosa is a first-line of defense. The preservation of the physical integrity by the respiratory mucosa as active and passive barrier, which is at the same time the location of innate and adaptive immune response, the complex function of the mucociliary clearance, the permanent confrontation with particulate and soluble substances such as antigens, allergens, and pathogens result in the according nosology and pathology known to every ENT specialist 51 . Rational understanding of the inflammatory and protective mechanisms led to the definition of new therapeutic target structure and concepts (see review article 52 ).

The respiratory epithelium that is found in the respiratory region of the nose and the paranasal sinuses as well as partially in the nasopharynx is a pseudostratified epithelium. The ciliary function contributes to transporting mucus, possible noxious substances, and particles that have been inhaled in direction of the ostia or the mouth, respectively, whereby pathologies of the ciliary apparatus fundamentally alter the physiology of the airways 53 . The cilia have multiple functions; it could be shown among others that they are chemosensory. At the same time, the intact respiratory epithelium is the basis for functionally intact defense 54 55 . At transition points to enhanced mechanical use, e. g., in the pharynx, the epithelium merges into a stratified squamous epithelium. In this epithelium, goblet cells are found that produce mucins. These mucins play an elementary role in the unspecific mucosal immunity; they contribute to the barrier function, interact in an antimicrobial way with multiple antimicrobial peptides and defensins 56 , develop a highly flexible and complex mucin-interactome 57 , and act synergistically with inflammatory cytokines, e. g., IL-1β 58 . Submucous glands produce nasal lining secretions, these consist of both, a transsudative (vasomotor) and a secretory layer. In the luminal secretory layer, substances with an unspecific antimicrobial activity are found, such as e. g., lysozyme, lactoferrin and defensins as well as adaptive mucosal antibodies of the IgA type (IgA1 and IgA2) 59 and the secretory component, which ensures the biostability of secretory mucosal IgA 60 . In addition, also IgM and IgG are found. IgA is induced by interaction with commensals and external influences and may additionally neutralize exotoxins as well as pathogens and transport sIgA commensals through the epithelium in luminal direction. Mucosal IgA has multiple functions of immune exclusion due to various affinities 61 and thus it contributes relevantly to the mucosal immunity of the respiratory mucosa and determines an active antigen-specific protection at this important external border of the upper airways, which is the most exposed external surface of the human body in relation to the covered surface.

Beside protective humoral mechanisms, also a synergistically acting cellular compartment is found in the upper airway mucosa. This involves tissue macrophages, eosinophilic, neutrophilic granulocytes, basophils, and mast cells, that act according to stimuli and pathology. Intraepithelial lymphocytes of the CD4 and CD8 type act in an antigen specific and adaptive manner. Together with submucous lymphocyte infiltrates of the lamina propria and special, functionally adapted NALT regions with adapted M cells and dome areas, γδT cells 62 , innate lymphoid cells (ILC) 63 as well as NKT cells may induce tolerogenic, allergic, or cytotoxic immune responses 64 65 . Furthermore, the pharyngeal tonsil, which usually should involute by school age, is part of the integrated mucosal system in the nasopharynx. Beside T cell infiltrates in e. g., allergic rhinitis or chronic rhinosinusitis with nasal polyposis, also areas of local IgE production by B cells 66 as well as dendritic cells 67 68 exist. Together with macrophage-like dendritic CD11+CD14+CD68 cells, those professional, antigen presenting, partly immature CD1+CD11+ cells form a dense network for regulation of adaptive immune responses 69 and express especially in atopics the highly affine IgE receptor FcεRI as well as costimulatory molecules such as CD80, CD86, and CD40 70 . There is evidence, that apart from lymphoepithelial areas respiratory epithelium adapts functionally to existing immunological conditions. Hereby, it is modified by inflammatory stimuli such as e. g., IFNγ or IL-4 in its transcriptome and consecutively functional properties. This leads for example to a defective barrier function due to reduced expression of tight junction proteins 71 . However, the epithelium is acting as an immunointerface in the initiation and maintenance of e. g., allergic inflammation. This involves inflammatory cytokines such as TSLP 72 , IL-25 73 , or IL-24 74 and epithelial alarmins such as IL-33, that contribute mucosal inflammation 75 . In the full picture of chronic rhinosinusitis with nasal polyposis of the western subtype, predominantly a type 2 inflammation is found with eosinophilic infiltrates, local expression of IL-5, IL-13, and the presence of IgE 76 77 78 (see also chapter 2.4 in 52 ).

2.2 United Airways

The functional and physiological connection of the upper and the lower airways is a daily experience in the treatment of ENT patients. The association of clinically severe courses of e. g., chronic sinusitis with chronic bronchitis and asthma or allergic rhinitis and asthma can be identified in daily practice as well as in the epidemiological perspective.

In 2002, a prospective longitudinal population cohort from Denmark convincingly revealed for the first time the correlation between allergic rhinitis and allergic asthma in people suffering from allergy to pollen 79 . Previous trials, even performed in well-structured national cohorts 80 were able to show associations but they used non-adjusted datasets.

In 2008, Shaaban and colleagues 81 examined more than 6,460 patients in a European longitudinal cohort study in 14 European countries that patients with allergic rhinitis had a approx. four-fold risk to develop bronchial asthma within the observation period of nearly 9 years. The adjusted relative risk amounted to 3.53 (95% CI: 2.11–5.91) for allergic rhinitis and – that is also a relevant result – to 2.71 (95% CI: 1.64–4.46) for non-allergic rhinitis.

Even in cases of chronic rhinosinusitis, the association with asthma has been investigated epidemiologically 82 and mechanistically apart from the typical Vidal or Samter triad. Depending on the sample, the percentage of asthmatic patients in the patient cohort with CRS amounts to 25–70% 83 84 . A research team from the UK analyzed a clinical cohort with 57 patients suffering from CRSwNP with regard to pulmonary function, bronchial hyperreactivity, and exhaled nitrogen monoxide (FeNO). In this context, 3 clinical groups with different phenomena could be identified. However, these groups were not different regarding the severity of their nasal symptoms 85 . Not only in cases of allergic asthma, but also in cases of non-allergic asthma and COPD, an association to pathologies of the nose and the paranasal sinuses could be demonstrated. Patients with non-allergic asthma and COPD had a higher symptom burden in the validated SNOT-20 questionnaire as well as increased concentrations of inflammatory cytokines in nasal lining secretions, e. g., IFNγ and G-CSF, but also eotaxin and MCP-1 86 .

The didactically and functionally interesting concept of the “atopic march” 87 fits well in such most likely T cell mediated disease concepts based on the assumption of antigen-specific inflammatory T cells migration.

In the early 2000ies, Braunstahl conducted segmental-bronchial and nasal allergen challenges and could show that a segmental bronchial allergen provocation leads to infiltration of IL-5 producing cells and of eosinophils in the nasal mucosa 88 . Nasal allergen provocation again leads to increased expression of epithelial (ICAM-1) and vascular (VCAM-1) adhesion molecules in the bronchial mucosa correlating with the number of locally expressed eosinophils 89 . Also infiltrates with basophils and mast cells could be revealed 90 . Despite the elegant study design, the major weakness of those studies is that the cellular source of the pro-eosinophilic IL-5 was neither functionally nor morphologically determined.

The interactions between the upper and lower airways are far from being only based on immunological mechanisms. The research team of Baroody and Naclerio could show that the nasal mucosa of patients suffering from allergic asthma can only poorly condition the air, i. e., warming it up and moistening it 91 92 .

2.3 Entities and epidemiology of diseases of the nasal mucosa and the paranasal sinuses

2.3.1 Infections

The most frequent origin of upper airway diseases is an acute viral infection with respiratory viruses; primarily bacterial rhinosinusitis is comparably rare. The etiology of chronic rhinitis and chronic rhinosinusitis is complex and it is mostly unclear if in the sense of “first hit hypothesis” at the beginning of the inflammatory cascade viral, fungal, or bacterial infections must be assumed. Also the role of allergies, local or systemic, is not finally investigated.

The common viral cold, coryza, is the most frequently occurring infectious disease at all. Because of difficult distinction, Eccles considers it more as a cultural concept than a clearly defined clinical entity 93 . Meanwhile, 99 serotypes of human rhinoviruses have been phylogenetically examined 94 and completely sequenced 95 . The variability of those viruses is very high and thus rather difficult for the immune system: beside the variety of antigens and the specific virulence of the pathogens, also the pathogen-host interactions determine the pathogenicity and penetrance. One example is the genetic association of bronchial rhinovirus infections and childhood asthma 96 .

In vitro, a Th2 microenvironment leads to an increased infection rate with human rhinoviruses under the influence of the cytokine IL-13 by upregulating the epithelial adhesion factor ICAM-1 97 . In patient cohorts, this supposedly simple correlation remained unconfirmed up to now. However, it could be revealed that children with asthma have a clearly longer-lasting postviral hyperreagibility of the airways 98 . An afebrile rhinovirus infection may become an exacerbation of chronic rhinosinusitis or exacerbated asthma 99 100 . Probably, rhinoviruses are responsible for about 50% of respiratory infections, beside influenza, adenoviruses, coronaviruses, and RSV (respiratory syncytial virus). In particular influenza viruses are accessible for vaccination strategies 101 .

The early infection with RSV is also considered as risk factor for the development of allergic asthma 102 103 . Developments of vaccination strategies for coronaviruses and RSV are relevant especially for high risk populations in the sense of stratified prevention. For prophylaxis of RSV pneumonia in susceptible children (e. g., premature children), the biologic pavilizumab is available as secondary preventive, passively immunizing antibody (Guideline in Pediatrics 104 ).

The role of viral infections of the upper airways regarding genesis and exacerbation, is currently only insufficiently understood; in vitro models show in particular an induction of co-stimulating signals 105 in the epithelium and for example the synergistic impact in the Th2 microenvironment on pendrins, which contribute among others to dyscrinia and secretion in cases of chronic rhinosinusitis 106 .

Acute bacterial superinfections of viral sinusitis occur in about 2% of uncomplicated cases 107 108 109 . The most frequent pathogens for simple acute bacterial rhinosinusitis without preexisting chronic rhinosinusitis are Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Moraxella catharrhalis, and Staphylococcus aureus. In the context of preexisting infection with rhinoviruses, an increased adhesion of different bacteria could be shown among others for Staphylococcus aureus 110 .

Under the influence of IL-4, an altered function neutrophil granulocytes has been described in atopy 111 , in that bacterial superinfection can be easily explained mechanistically in the model. The microbial interactions in chronic rhinosinusitis, however, are complex. On one hand, biofilms play a relevant role 112 , on the other hand, the microbiome in the investigated patient population is probably iatrogenically altered and limited in its diversity in favor of single species. So Abreu et al. revealed a loss of lactic acid bacteria in favor of Corynebacterium tuberculostearium 113 . Choi and colleagues could identify colonization with Staphylococcus aureus 114 . Since especially severe cases of CRS with nasal polyposis are associated with the presence of specific IgE against S. aureus enterotoxin and also the colonization of the mucosa with S. aureus is accompanied with nasal polyposis, tissue eosinophilia, and a Th2 microenvironment 115 , the question of cause and effect has to be asked. Actually, S. aureus IgE is also found in severe adult asthma 116 and the involvement of superantigens in atopic eczema is documented clinically as well as experimentally 117 . Hence it is very difficult to estimate the role of a complex microbiome in these heterogenic cohorts that are often pretreated with antibiotics. Data on the exacerbation by bacterial superinfection in CRS are incomplete. Therapeutic microbiome interventions, e. g., as microbiota transfer may be promising tools in personalized medicine 118 , however, this topic has not been published in rhinology up to now.

2.3.2 Tobacco smoke

In epidemiological studies, tobacco smoke could be consistently shown as independent risk factor for sinusitis (OR 1.7: 95% CI: 1.6–1.9) 119 , an overview is found in Beule’s contribution 120 .

2.3.3 Allergies

Worldwide, between 10 and 40% of all people are affected by allergic rhinitis 121 122 . Since many years, the epidemiology of allergic rhinitis is investigated on the basis of consistently structured international patient cohorts, mainly according to the ISAAC standard (International Study of Asthma and Allergy in Childhood 123 ), that are further supported by population-based representative cohort studies. Unanimously, the picture of a globally increasing prevalence of respiratory allergies developed since the 1980ies that at least in Europe reached a high-level plateau in the last years. Approx. 500 million people probably suffer from allergic rhinitis worldwide; the socio-economic consequences are enormous (see overview in 122 ). In Germany, the data of the study on adult health (DEGS1) reveal a lifetime prevalence for allergic diseases of about 30% 124 . In the context of population-related sampling with more than 7,000 blood tests of adults, at least 48% of the patients had allergic sensitization, hereby a total of 33.6% of the participants were sensitized against aeroallergens 125 . These percentages were confirmed by the Robert Koch Institut (RKI) in the general study on adult health in Germany from 2014 (“Gesundheit Erwachsener in Deutschland 2014” (GEDA study) enrolling 23,000 randomly selected individuals. The RKI reports about an “allergy tsunami”: the 12-month prevalence for allergic diseases amounted to approx. 28% 126 . In the USA, also up to 30% of the population suffer from allergic rhinitis, about 60% of them cannot adequately control their symptoms by treatment with antihistamines or topical steroids 127 . In Germany, only about 10% of the patients are treated in compliance with the according guidelines 128 . The only causal therapeutic option for treatment of allergic rhinitis is specific immunotherapy 122 129 , which shows an excellently documented clinical effectiveness and safety as subcutaneous 130 as well as sublingual immunotherapy 131 132 133 . Furthermore, its effect is downstream preventive on the development of allergic bronchial asthma 134 135 136 (see also chapter 2.5).

2.3.4 Chronic rhinitis

Comparably reliable epidemiological data on chronic rhinitis in adolescents are found due to the Isle of Wight birth cohort that is also the association of different clusters on the risk to develop asthma 137 . It is not easy to clinically and terminologically distinguish chronic rhinitis as differential diagnosis from chronic rhinosinusitis. Recent reports define the specific consensus, however, in contrast to allergic rhinitis sound data are not available 138 139 . In the context of non-allergic chronic rhinitis, several subtypes are defined such as non-allergic rhinitis with eosinophilia (NARES) 140 , hormonal rhinopathy, rhinitis with neurogenic inflammation 141 (which is possibly a specific endotype, see chapter 2.4), and idiopathic rhinitis (which is still called vasomotor rhinitis in English-speaking countries). Those subtypes can be treated selectively with topical nasal steroids, e. g., ipratropium bromide (off-label use in Germany) or capsaicin (if available).

2.3.5 Chronic rhinosinusitis

The category of chronic rhinosinusitis defines inflammatory diseases of the nose and the paranasal sinuses with durations of more than 12 weeks. The EPOS2 guideline from 2012 107 defines chronic rhinosinusitis as a disease of the nose and the paranasal sinuses of at least 12 weeks duration characterized by more than 2 of the following symptoms: a) nasal obstruction, b) rhinorrhea, c) pressure sensation or facial pains, d) hyposmia or anosmia, while either at least nasal obstruction or rhinorrhea should be present as obligatory symptoms. Clinically, either endoscopic signs of nasal polyposis, mucopurulent discharge from the middle nasal meatus and/or CT morphological signs of mucosal alterations in the osteomeatal unit or the paranasal sinuses should be found. This definition taken from the European position paper has been increasingly accepted in the last years. Furthermore, independent from the etiology and pathogenesis of the disease, chronic rhinosinusitis was classified into chronic rhinosinusitis with nasal polyposis (CRSwNP) and chronic rhinosinusitis without (lat.: sine) nasal polyposis (CRSsNP) 107 142 .

It is difficult to perform methodically and regionally consistent evaluations of the epidemiology of chronic rhinosinusitis. On one hand, significant regional differences are found regarding the identical assessment methods, on the other hand, there are various approaches for assessment, for example in the context of medical diagnosis and – which is meanwhile generally established in epidemiological methods – questionnaires and/or the assessment of the disease-related quality of life. A comprehensive overview can be found in 120 . The most consistent assessment by means of standardized questionnaires in the context of the “Global Allergy and Asthma Network of Excellence” (GA2LEN) was uniquely performed for chronic rhinosinusitis 119 and in a combined way for asthma associated with chronic rhinosinusitis 82 .

Hereby, the first trial with more than 57,000 returned questionnaires from 12 different European countries with patients between the ages of 15 and 75 years could reveal a global prevalence of 10.9% (interval: 6.9–27.1%) according to the definition of European guidelines. Those data were confirmed among others by an American study with a global prevalence of CRS of 11.9% 143 . The second trial 82 additionally investigated the association with asthma in this dataset. Despite the heterogeneity in the prevalence of CRS between the single regions in Europe, the association between CRS and asthma was comparable over all centers and age groups (adjusted OR: 3.47; 95% CI: 3.20–3.76). Patients who had allergic rhinitis beside the symptoms of CRS had an additionally increased risk to be affected from asthma (adjusted OR: 11.85; 95% CI: 10.57–13.17). In non-allergic individuals, however, an association to so-called late-onset asthma was found. CRS is accompanied by a clearly reduced quality of life and has a high socio-economic relevance 144 .

AERD (aspirin exacerbated respiratory disease), is associated with rather severe course of disease 107 . A recent meta-analysis 145 reported about a 7–15% prevalence of AERD in asthmatic individuals and an increased prevalence in severe cases. In about 8.7% of the cases, patients with CRS showed symptoms of AERD, patients with confirmed CRSwNP had those symptoms in approx. 9.7%. According to EPOS3 107 , about 15% of the patients with CRS had AERD. Zhang et al. could demonstrate that specific IgE against S. aureus enterotoxin is expressed disproportionately frequently in those patients 146 .

Important, although less frequent differential diagnoses are autoimmune system diseases with involvement of the nasal mucosa and the paranasal sinuses. In this context, in particular vasculitis has to be pointed out. Depending on the stage, its clinical image may appear similar to chronic rhinosinusitis 147 148 . Recently, the American College of Rheumatology (ACR) performed changes of the definitions, in particular GPA (formerly called Wegener’s granulomatosis 149 ) and eosinophilic granulomatosis with polyangiitis (formerly called Churg-Strauss vasculitis) must be mentioned. The diagnostic criteria of GPA of the European League against Rheumatism (EULAR) and the ACR are currently being revised based on the current “Diagnostic and Classification Criteria in Vasculitis Study” (DCVAS) 150 . Regarding the treatment of GPA with rituximab, meanwhile a recommendation degree A has been stated 151 . From a mechanistic point of view, also eosinophilic GPA (EGPA) is an interesting target for antibodies that target IL-5 or its receptor as recently investigated in clinical studies 152 (see chapter 4.2 below).

Cystic fibrosis (also: mucoviscidosis) is the most frequent autosomal-recessively inherited genetic disease (1:2,000 live births) and is associated with a dysfunction of membraneous chloride channels (CFTR, cystic fibrosis transmembrane regulator) that leads to modified mucus composition in the airways and the gastrointestinal tract. In the airways, the viscous mucus that can only hardly be mobilized leads to recurrent, opportunistic, and often life-threatening broncho-pulmonary and upper-airway infections. In cases of missing enzyme substitution, the altered function in the gastrointestinal tract results in malnutrition syndromes due to exocrine pancreatic insufficiency. Nearly 2,000 mutations of the CFTR gene are known, so the phenotypes can vary considerably (an overview can be found in 44 45 ). In at least 25–40% of all patients, sinonasal polyposis is found 107 153 . Phenotypically, histological subtypes are observed depending on the sample, with rather neutrophilic or eosinophilic inflammation patterns 154 155 . Regarding the treatment of CF, new selective therapies with small molecules could be established (see above, chapter 1.8).

More rarely, the Kartagener syndrome 156 is found, which is the prototype of ciliary dyskinesia 53 that is obligatorily associated with nasal polyps beside bronchiectasis and situs inversus. The polyps may also contain eosinophilic infiltrates, interestingly also a clearly reduced expression of NO synthetase in the tissue is found 157 . These findings correspond a priori to the low exhaled NO values in the diagnosis 158 . In exhalations, the use of an eNose may differentiate between healthy patients, Kartagener syndrome, and cystic fibrosis with or without chronic infection with Pseudomonas aeruginosa 159 . In this way, it is an interesting new tool for potential endotyping.

2.4 Endotypes of chronic airway inflammations

The phenotypic definition of chronic sinusitis with our without nasal polyposis does not give any hint to the molecular developmental mechanism, it cannot predict the therapeutic outcome, and does not contribute to the allocation of optimal therapy, i. e., for example conservative standard therapy with or without surgery 142 160 . A sound mechanistic understanding, however, is the basis for a targeted, ideally precise and personalized therapy. Hypothesis-driven research in immunology and inflammation of the past 30 years has identified the association of allergic airway diseases with phenotypically predominant eosinophilia to the Th2 diseases mainly on the basis of the also didactically elegant Th1/Th2 model 9 10 . In nasal polyps this was first shown by Bachert 76 , further intensified investigations revealed cytokine patterns 77 and also the involved T cell clones 161 followed. However, for example in Asian cohorts, distinct IL-17 associated inflammatory pattern were 162 . Interestingly, mucosal inflammatory patterns have revealed a transition to a more “western” cytokine profile over time, probably associated with socio-cultural transition 163 . Furthermore, patients were diagnosed with CRSwNP in central China in whom none of the expected or “classic” cytokine microenvironments was dominant, i. e., neither Th1 nor Th2 nor Th17 inflammation 164 . Even in special types of CRS, e. g., cystic fibrosis, other inflammatory signatures are found 161 165 . The presence of different infiltrates correlates with the response to the therapy. So Wen 166 could show that nasal polyposis with predominantly neutrophilic infiltrates does not clinically respond to oral steroid treatment. Mucin-1 expression, however, could be identified as marker for a response to steroids 167 .

The Th2-associated pathophysiology in inflammatory airway diseases in the western world led accordingly to biomedical therapy concepts which address mainly cytokines from the Th2 microenvironment (see chapter 4.2, clinical studies). Apart from the question if those new therapy procedures are affordable, a concept has been developed in the context of personalized medicine that describes endotypes. First described by Anderson 168 , this concept was intended to result in a more selective and mechanistically rational therapeutic procedure. Regarding the definition of endotypes, for example genetic, mechanistic, histological, or functional properties are classified in order to define different and mechanistically coherent entities 169 . In a simplified way, Wenzel described endoyptes as a “molecular phenotype” 170 . In the last years several position papers of highly reputed authors discussed this concept: at least – and this is a great progress – a European multicenter analysis and merely data-related study is now available for chronic rhinosinusitis 171 .

For this cohort in the GA2LEN network, initially 917 patients from 8 European countries (respectively 10 European University Hospitals) were enrolled. Finally tissue could be gained with adequate quality and quantity from 173 patients with CRS and 89 controls. Based on a pre-defined biomarker selection, all specimens were characterized and assigned to 10 different groups by hypothesis-free analysis. Inflammatory parameters (MPO, IL-1β, IL-6, and IL-8), type 2 inflammation markers (IgE, ECP, IL-5, and albumin), in the 3 rd group IL-17, TNF-α, and IL-22, and additionally in 2 further groups IFNγ, TGFβ 1 , S. aureus enterotoxin IgE were examined in the context of a hierarchic cluster analysis. The resulting 10 clusters were compared to clinical phenotypes and appeared mechanistically and clinically plausible in order to depict coherent subtypes. IL-5 negative groups clinically showed mainly chronic rhinosinusitis without nasal polyposis and without asthma whereas the IL-5 positive groups, which also had a high systemic and local IgE level, contained a high percentage of asthma-affected patients. Patients who had particularly high IgE values as well as specific IgE against S. aureus enterotoxin generally suffered from chronic rhinosinusitis with nasal polyposis and nearly all of them from comorbid bronchial asthma. However, unfortunately this trial has one relevant weakness: Even if further clinical data have been assessed, they are not included, i. e., data on standardized symptom scores and/or disease-related quality of life. Ideally, also more than the initially 900 patients could and should have been included in the analysis, however, cautiously 3 axiomatic statements can be made that would have to be verified in real-life clinical data and pivotal clinical trials:

  1. The more severe chronic rhinosinusitis affects a patient in Europe, the more mechanistically probable is an eosinophilic inflammation that is associated with a quantitative involvement of IL-5, IgE and IgE against S. aureus enterotoxin, depending on the severity.

  2. Different inflammatory patterns can exist in parallel: in addition to Th2 cytokines and IL-5, generic-inflammatory activation of IL-6 and IL-8 is found in single clusters, furthermore IFNγ and depending on this IL-17 with IL-22, or IL-22 alone.

  3. Functional endoscopic sinus surgery can only be one element among others for treatment of this complex inflammatory disease involving the upper and lower airways and should ideally be accompanied by rational anti-inflammatory measures.

Beside those Th2-associated endotypes, probably neurogenic inflammatory endotypes exist in the phenotype of non-allergic inflammation that responds well to capsaicin therapy 141 . The terminological inexactness becomes apparent for example in the context of hormonally induced pregnancy rhinopathy: there is a very distinct hormonal pathomechanism that is sufficient for endotype definition, however, the disease can be defined only phenotypically in the patient.

The elaboration of endotypes of the upper airways is developing and there are many aspects where no adequate terminological consensus has been found yet 172 173 . Even more significant is the data deficit which has to be met in the near future.

2.5 Stratified downstream prevention

The early involvement of the nose in cases of respiratory diseases makes the upper airways a potential proxy for the lower airways and an interesting tertiary-preventive lever.

Allergen-specific immunotherapy (AIT) as classic personalized therapy is the working horse in clinical allergy. In contrast to the ongoing administration of therapeutic antibodies that may be considered as disease response modifiers, there is compelling data on the disease modifying effects of AIT and based on these properties can be utilized as an instrument in downstream prevention.

By means of the randomized, controlled and open Preventive Allergy Treatment Study (PAT Study) with 183 children it could be shown for allergic rhinitis that the children who had received a 3-year specific immunotherapy (SIT) against birch and/or grass pollen suffered significantly less from allergic asthma after 5 years of therapy onset (OR: 2.68: 1.3–5.7) 135 . Ten years after therapy onset, even more favorable outcomes were found in the immunotherapy group with an odds ratio of 4.6; 95% CI: 1.5–13.7 not to develop asthma 134 .

These data could be confirmed by analyses of retrospectively evaluated healthcare data from East Germany that included datasets of 118,754 patients between 2006 and 2012. In allergic patients who had received AIT, a lower number of newly diagnosed asthma cases was observed in comparison to allergic individuals who had not received AIT. The relative risk after regression analysis amounted to 60% (RR, 0.60; 95% CI: 0.42–0.84), but the non-adjusted risk did not vary 174 .

With publication of the Grass-Asthma-Prevention Study (GAP Study), for the first time a double-blind, placebo-controlled trial revealed a downstream preventive effect with regard to asthma symptoms for the specific allergen immunotherapy. In this European trial, 812 children were randomized with a high-dose grass pollen tablet therapy for 3 years. The study did not reach its primary endpoint, i. e., time to onset of asthma resp. wheeze based on pre-defined criteria that included reversibility of obstruction after beta-2-agonist administration. However, consistently and significantly less asthma symptoms and less consumption of asthma medication could be shown in the verum group (OR: 0.66, p<0.036) 136 .

In contrast to the specific immunotherapy for allergic rhinitis, the data on chronic rhinosinusitis have to be evaluated in a much more heterogenic way and the cohorts for interventions are generally smaller. In this context, in particular healthcare studies are interesting. Retrospective data of the National Health Service (NHS) in the United Kingdom show that late surgery of patients with chronic rhinosinusitis may often lead to severe and recurrent cases as well as to bronchial asthma. Market research data seem to support these statements 175 176 . A study encompassing prospective data of a national British audit reports that especially patients who suffered from allergies and asthma underwent surgery particularly late. This may be due to the slow process of symptom adaptation as well as to possibly conservative therapy attitudes. However, the data reveal that patients who underwent surgery at early disease stages have a better symptom control and disease-related quality of life in the context of follow-up examinations after 12 and 60 months 177 . Furthermore, patients who had undergone surgery at an earlier time cause less subsequent healthcare expenses 178 .

Whether this conclusion proofs correct and early surgery really protects patients with chronic rhinosinusitis against recurrent disease courses and against comorbid asthma can only be demonstrated by means of consistent data from randomized interventional studies, cohort, and healthcare data. Only such data allow suggesting treatment recommendations for stratified prevention approaches in the sense of personalized medicine.

3. State-of-the-art

The existing S2k guideline for the treatment of Rhinosinusitis for German-speaking countries was revised in 2017 179 . The European position paper EPOS that had been revised in 2012 in its 3 rd edition basically corresponds to a European guideline regarding the dimension and the scientific claim and encompasses acute as well as chronic rhinosinusitis. For allergic rhinitis, the extensive document entitled “Allergic rhinitis and its impact on asthma” is referenced as standard manual in the area of the European Academy of Allergy and Clinical Immunology (EAACI). An important milestone for causal therapy of allergic rhinitis is the German guideline on specific immunotherapy published in 2014 129 .

The significance of functional endoscopic sinus surgery for therapy of CRS is estimated as very high. This is supported on one hand by the data of healthcare systems with limited access to high-quality surgical care and on the other hand by merely rational mechanistic reflections of the pathological anatomy of the osteomeatal unit 180 181 . Hereby, surgical therapy should be performed in all cases where conservative therapy only allows insufficient control of the CRS symptoms and when endoscopy and/or imaging defines a confirmed pathological correlate as curative surgical objective. Despite 2 recently published meta-analyses, the currently available evidence is unsatisfactory 182 183 because the meta-analyses can only evaluate high-quality standardized studies, which are currently not available.

Based on the existing evidences (level 1a) for 2 main pillars of conservative therapy of chronic rhinosinusitis without nasal polyposis, the European guideline EPOS3 recommends (recommendation grade A) to apply topical nasal steroids and nasal rinsing with saline solution. For patients suffering from chronic rhinosinusitis with nasal polyposis, topical nasal and oral steroids are recommended as conservative treatment, in EPOS3 data from meta-analyses are provided that support this recommendation 107 .

A clear recommendation in favor of topical therapy is found in an evidence-based review published by Rudmik 184 . Furthermore, 2 recent meta-analyses of the Cochrane Society are available regarding topical steroids after a meta-analysis had been withdrawn because of the availability of new data published by Kalish 185 . In 2016, Chong presented a meta-analysis that could include 18 randomized, controlled trials with a pool of 2,738 patients. The authors of the meta-analysis criticize that in the context of trials on topical nasal steroids a moderate effect on symptoms such as nasal obstruction and the overall severity of the disease could be measured in pooled datasets but the overall quality of the evidence, in relation to the number of studies and patients, was only moderate or even poor and the follow-up periods were too short. In addition, the disease-associated quality of life had not been sufficiently taken into account 186 . In a second meta-analysis, nearly the same group of authors compared different intranasal topical steroids. Based on the available trials, however, no recommendation could be given for single substances or application modalities 187 .

In the European position paper, a large variety of therapies achieves the recommendation levels of C or D (not recommended). Based on the recent meta-analyses and also the confirmatory trials with biologics, the next revision will most probably implement new recommendations.

Without any doubt, the currently guideline-based therapy treats many patients in an adequate way, especially in such a well-structured and accessible healthcare system as it is found in Germany. However, data from phenotyping studies show that the therapy responses are very heterogenic regarding surgical as well as conservative therapy approaches and that some patients do not benefit at all 160 . Based on an algorithm with non-supervised machine learning, Soler and colleagues tried to predictively identify these groups. This was partially successful in a pilot study, but it led to clinical groups that were not attributable by known and intuitively understood features and that additionally completely lack of an – at least currently known – distinct pathophysiological correlate. Nonetheless, such cohorts have to be evaluated and reproduced in order to prospectively verify a possible usability also in algorithms. In summary of endoscopic and radiological findings with systematic eosinophilia in a cohort of more than 1,700 Japanese patients, a scoring system entitled JESREC (Japanese Epidemiological Survey of Refractory Eosinophilic Chronic Rhinosinusitis) provided a cut-off value that allows describing a diagnostic criterion for eosinophilic CRSwNP and an increased risk for recurrences 188 . These results should be reproduced on an international level with a modified score, if needed. One weakness of the trial is that it could not be verified to what extent the pretreatment with steroids has an effect on the applicability of these tests because patients who had been pretreated with steroids were excluded from the study.

A so-called “unmet clinical need” of the current guideline-based therapy results because of different reasons. On one hand, it has become clear that assumedly more than 20% of the patients can only partially or not at all control their symptoms despite guideline-based, adequate, effective, and safe therapy 189 . In addition, the percentage of recurrences seems to have been underestimated for years. In the United Kingdom, the rate of surgical revisions amounts to 19.1% for CRS and 20.6% for CRSwNP in a 5-years interval and has not improved despite optimized surgical techniques and the availability of further-developed topical steroids 190 . In single cohorts, up to 80% of the patients with CRSwNP develop recurrences 84 .

It is highly probable that the patients will have to be informed more realistically; however, better characterized clinical cohorts will be needed. Further, it is completely unclear to which percentage for example missing cooperation and suboptimal compliance regarding the topical steroid intake amount in case of severe courses 191 . The lack of disease control in these epidemiologically and socio-economically relevant cohorts of chronic patients with severe or persisting allergic rhinitis and/or chronic rhinosinusitis is a factor that is currently not adequately quantified. A rather relevant percentage of those patients will probably have to be classified as SCUAD (severe chronic upper airway disease) with multifactorial underlying disease processes 192 .

In this context, stratified medicine may allow individual therapy and downstream prevention. Possible measures are pathophysiologically rational and targeted interventions with biologicals.

4. Biologicals in clinical trials with rhinological diseases

4.1 Allergic rhinitis

4.1.1 Trials with omalizumab

The until now last and fifth human immunoglobulin class IgE was discovered in 1967 after a scientific race competion of Johansson and Bennich against Kimishige and Teruko Ishizaka. Ishizaka called it immunoglobulin E 193 , but was not able to isolate and characterize it. Reagin of the Prausnitz-Küster reaction that had not been identified up to that time was characterized by Bennich and Johansson 194 and the association to asthma was revealed in the same year 195 . The IgE mediated sensitization against an allergen is the pathomechanistic basis of modern allergology and completes the concept created by Pirquet that allergy is a specific hypersensitivity reaction 196 .

Omalizumab is a humanized monoclonal antibody against IgE and was approved by the FDA in 2003 and by the European Medical Agency (former EMEA) in 2005 for therapy of severe allergic asthma. Mechanistic studies on causal treatment of allergic disease did not meet the expectations first because further allergic reactions occurred despite the effective pharmacological antagonism and elimination of IgE from the serum.

In a double-blind and placebo-controlled trial with a cohort of 536 patients, Casale could demonstrate the dose-related effect of omalizumab as monotherapy for patients with allergic rhinitis against ragweed 197 . In 2003, this effect could be confirmed for perennial allergens 198 .

Mechanistically interesting was the combination of omalizumab with allergen-specific immunotherapy. Hereby, omalizumab could clearly reduce the incidence and severity of the side effects in the phase of increased dosing in particular in the context of accelerated dose increase of the allergen for effective and tolerogenic maintenance dosage, so-called rush-immunotherapy. Kopp applied omalizumab in a pediatric cohort and could observe in vitro a reduced release of leukotrienes in children who received immunotherapy against pollen under the protection of omalizumab 199 .

In the context of a trial of the Immune Tolerance Network of the National Institute of Health (USA), Casale conducted a double-blind, placebo-controlled 4-arm study with a rush immunotherapy against ragweed pollen in combination with and without omalizumab as well as a double placebo group. In each arm 39-40 patients were randomized. From a total of 159 patients, 123 completed the trial that started preseasonally, included the pollen season, and lasted for 21 weeks. The primary endpoint of the study was the comparison of the seasonal symptom score between the group with combined application of omalizumab and allergen immunotherapy and the group with immunotherapy alone. The primary endpoint could be achieved when the effect size was relatively low (0.61 vs. 0.85, p=0.12). Furthermore, a post-hoc analysis could show that the application of omalizumab significantly reduced the incidence of systemic allergic reactions by 80% during rush immunotherapy; however, with 25.6% the rate was extremely high in the group of immunotherapy without omalizumab and was based on a blinded self-assessments of the patients. The increased effectiveness of the combined application of omalizumab with immunotherapy was explained by the fact that omalizumab was further therapeutically administered at the time of pollen occurrence. If the effect of immunotherapy was better in the group treated with the combined therapy beyond the time of systemic elimination of omalizumab, cannot be stated based on the published data.

In vitro specimens of a total of n=36 individuals from the same patient cohort, were investigated in further mechanistic studies by Klunker et al. Hereby, a validated facilitated antigen binding (FAB) assay was measured for assessment of the serum inhibitory activity against IgE binding to B cells. In the group of patients who underwent combined therapy and in the group with omalizumab, binding of IgE was inhibited of nearly 100%, even beyond the pollen season. The group with immunotherapy alone reached an inhibition of 50%. Mechanistically, it could be shown that allergen-specific IgE was no longer available in both therapy arms with omalizumab. Interestingly, the serum-inhibitory effect could be maintained up to 42 weeks after treatment and was even more pronounced in the group with combined treatment 200 .

In clinical routine, the combined application of omalizumab plus allergen could be established in Europe, in particular for patients who require an increased safety profile regarding specific immunotherapy. This concerns for example the presence of severe bronchial asthma, urticaria, severe food allergies 202 , or pre-existing anaphylaxia. Hereby it must be taken into consideration that not all these applications are in-label. A sound review article is found under 203 .

4.1.2 Trials with VAK694

The induction of regulatory T cells that express the transcription factor Foxp3 and other subtypes, e. g., Tr1 cells, is considered a mechanistic key event of specific immunotherapy 204 . Actually, monitoring of this T cell conversion to regulatory populations is extremely difficult and in humans it is only possibly by extensive ex vivo examinations 205 206 . Antigen-specific monitoring is only performed via flow cytometric analyses with tetramers or ELISpots 207 208 . Mechanistic studies on specific immunotherapy could show that the induction of regulatory T cells is associated with the secretion of inhibitory cytokines such as TGF-β 1 and IL-10; IL-4, IL-5, and IL-13 secreting T cells are reduced 209 210 211 212 . While IL-5 mainly contributes to eosinophilia in allergic inflammation as pro-eosinophilic cytokine, IL-4 and IL-13 induce the production of IgE in B cells and have direct proinflammatory effects on the respiratory epithelium 74 , mucous secretion as well as goblet cell hyperplasia of allergic inflammation of the airways 213 . On this basis, the concept of combined specific immunotherapy with human anti IL-4 antibodies was developed. The antibody VAK694 is a fully human antibody directed against the cytokine IL-4 and was applied in patients in the context of an exploratory, double-blind, placebo-controlled 3-arm study. Primary endpoint of the trial was the cutaneous allergen-specific late-stage reaction as antigen-specific surrogate for T cell suppression 12 months after therapy in vivo. Explorative surrogate endpoint was the antigen-specific production of IL-4 in ELISpots in vitro. Furthermore, the T cell populations were characterized by flow cytometry. The study was designed as proof-of-concept trial and not sufficiently powered for detection of symptom differences between the therapy groups in the pollen season. The primary endpoint, tolerance in the cutaneous late phase response compared to standard therapy, i. e., specific immunotherapy alone, was not achieved because standard therapy alone reached a suppression of the allergen-induced late phase response in the skin of more than 90% although a subeffective dosage of the allergen had been chosen. The proof of concept was achieved in vitro: a sustainable suppression of allergen-specific IL-4 producing cells could be shown 12 months after the end of combined therapy and in comparison to immunotherapy alone as well as placebo. This effect, however, did not translate into the clinical endpoint, the cutaneous late phase reaction 215 . If the combination of anti-IL-4 with specific immunotherapy is pursued, remains unclear because the development of VAK694 was stopped.

4.2 Chronic rhinosinusitis

4.2.1 Omalizumab

The role of IgE in asthma, allergic rhinitis, and atopic dermatitis as well as parasite defense was described already very early 216 . In 1970, IgE was found for the first time in tissue homogenates in nasal polyposis 217 , and Whiteside examined it in 1975 218 regarding local lymphocytes and the correlation with systemic IgE levels and atopy. Already at that time, the question of local IgE production in nasal polyps was addressed which became a relevant research issue in the pathophysiology of CRS. In 2001, Bachert could show that the proportion of IgE in the tissue correlates with local eosinophilic infiltrates 78 . In the early 2000ies, the association with specific IgE against S. aureus enterotoxin 146 219 was discovered, in particular in severe cases, which was another hint to pathophysiologic involvement of IgE. In 2005, Gevaert could document the local IgE synthesis in the tissue 66 . From here, it was a logic consequence to investigate the therapeutic application of omalizumab in patients with CRSwNP in clinical trials. First case reports and retrospective case series were published by Penn 220 , Guglielmo 221 , and Vennera 222 , mainly in patients who were treated in-label with omalizumab because of their severe asthma. Pinto and colleagues were the first research group that published a double-blind, placebo-controlled trial. The study could reveal no superiority of the verum arm compared to placebo. This was also due to the inclusion criteria because in this study patients with as well as without nasal polyposis were included 223 . A placebo-controlled follow-up trial published by Gevaert in 2013 with application of omalizumab in patients with CRSwNP and comorbid asthma over a treatment period of 16 weeks, could consistently observe a reduction of the nasal polyp score (−2.67; P=0.001) as well as the nasal symptom score and the disease-related quality of life in comparison to placebo 224 ( Fig. 3 ). Further studies in the context of this indication have already been completed according to the study registries (NCT01066104), at the time of manuscript submission the results have not been published. Subsequent studies on CRS have been registered as actively recruiting, among others under clinicaltrials.gov .

Fig. 3.

Fig. 3

Change of the nasal polyp score under the treatment with omalizumab vs. placebo (according to 224 , Gevaert P., JACI 2013, licensed by RightsLink/Elsevier).

Paradoxically, in the initial phase of the treatment with omalizumab, a transient increase of the overall IgE is observed because of the development of biologically inactive but measurable IgE antibody complexes. Only after about 16 weeks, the pharmaco-dynamic response can be measured adequately in the serum. Pharmaco-dynamic investigations under omalizumab treatment additionally show that the de novo IgE synthesis decreases of about 50% per year with the treatment with omalizumab 225 . This observation can be explained by a possible change of the IgE homeostasis because of negative feedback mechanisms that involve the low-affine IgE receptor. Thus it is justified to assume a possible timely limitation of therapy and withdrawal trials. For this purpose, long-term data would have to be evaluated in order to define rational therapy corridors.

4.2. 2 Reslizumab

The pathophysiological role of IL-5 in CRSwNP of western type was described early 76 77 . A therapeutic antagonism seemed to be obvious. The first trial in humans and actual milestone trial of CRSwNP was published by Gevaert in 2006. In this first double-blind, placebo-controlled trial, a total of 24 patients with bilateral CRSwNP received a single dose of the humanized anti-IL-5 antibody reslizumab or placebo. The effect on systemic eosinophils in the blood and ECP concentrations in the serum could be pharmaco-dynamically measured up to 8 weeks. Only half of the patients treated with the real substance showed a therapeutic effect on the endoscopically revealed polyp scores. In a post-hoc analysis, Gevaert and colleagues could demonstrate that the responders were those patients who had high IL-5 concentrations in nasal secretion at the time of treatment onset. By means of a regression analysis, a cut-off value for IL-5>40 pg/ml in nasal lining secretions could be defined that could predict a positive therapy outcome after reslizumab application (odds ratio: 21.0; 95% CI: 1.5-293.3; P=0.009). A multicenter study with reslizumab conducted in the USA investigated the effectiveness of poorly controlled eosinophilic bronchial asthma. Interestingly, reslizumab was more effective in the subgroup of asthma patients with known CRSwNP compared to asthma patients without polyposis 226 . This subtyping corresponded quasi to an indirect endotyping. Another trial on CRS with reslizumab has been registered as recruiting at the time of manuscript submission under clinicaltrials.gov .

4.2.3 Mepolizumab

After first successful studies on the treatment of eosinophilic asthma 227 228 , Gevaert conducted a 2:1 randomized pilot study of 8 weeks duration with 2 therapeutic applications (750 mg i. v., each) of the humanized anti-IL-5 antibody mepolizumab. Compared to the dosage that is currently approved in the EU for eosinophilic asthma (100 mg s.c.), this is a rather high dose that was however well tolerated and showed a reduction of the polyp size in the majority of the patients, which could be consistently documented by radiological assessment. Interestingly, in contrast to the reslizumab investigation, local IL-5 concentration in nasal lining secretions did not predict the therapeutic outcome in this trial 229 .

In 2017, Bachert and colleagues published a European multicenter confirmatory phase-II/III-study on mepolizumab for therapy of CRSwNP. In this study that had been initiated in 2009, 105 patients from all over Europe with severe therapy-refractory CRSwNP with indication for surgical therapy were randomized 1:1 either for 750 mg mepolizumab or placebo and received their treatment 6 times in 4 weeks as add-on therapy to topical nasal steroids. The primary endpoint was defined as indication or need of surgical therapy of CRSwNP 25 weeks after therapy initiation. 25 weeks after randomization, 30% of the patients with mepolizumab did no longer need surgical therapy (ITT, 16 [30%] vs. 5 [10%]; P=0.006). Consistently, also the VAS scores reduced in the verum group (− 1.8 in week 25; ITT 95% CI: 22.9–20.8; P=0.001) as well as the SNOT-22 test and in the post-hoc analysis even the endoscopic polyp scores ( Fig. 4 ). Also in this trial, mepolizumab was well tolerated despite the relatively high dosage. In the verum group, smelling based on VAS improved, unfortunately, different smell tests were applied in the trial so that this important parameter cannot be systematically included in the analysis 230 .

Fig. 4.

Fig. 4

Effectiveness of mepolizumab vs. placebo in CRSwNP: consistent reduction of the need for surgery, VAS scores and the endoscopic polyp score (according to 230 ; Bachert C., JACI 2017, licensed by RightsLink/Elsevier).

4.2.4 Benralizumab

Similar to mepolizumab and reslizumab, benralizumab functionally inactivates the mediation of biological, mainly pro-eosinophilic effects of IL-5 by binding the therapeutic humanized antibody to the IL-5-alpha subunit of the IL-5 receptor (overview in 231 ). For CRS, no trials are currently available. At the time of manuscript submission, one study on CRS was registered as active and not recruiting under clinicaltrials.gov .

4.2.5 Dupilumab

The fully human antibody binds the common alpha-subunit of the IL-4 and IL-13 receptor and thus interrupts the pleiotropic Th2 signals into immunological compartments. The high effectiveness in cases of eosinophilic asthma 232 and in particular in the treatment of atopic eczema was convincingly described with pivotal trials 233 234 . Regarding the indication of CRS, an international consortium around Bachert and colleagues investigated dupilumab vs. placebo as add-on therapy of topical nasal steroids in 60 patients in a phase-II/III-study over 16 weeks. In the endoscopic polyp score, a difference of − 1.6 of verum (95% CI: − 2.4 to − 0.7); P<0.001) could be shown in comparison to placebo. This effect was consistent to a reduction of the CT-morphologically determined Lund-MacKay score and the SNOT-22 ( Fig. 5 ).

Fig. 5.

Fig. 5

Change of the nasal polyp score under the treatment with dupilumab vs. placebo (according to 232 ; Bachert C., JAMA 2016, licensed by RightsLink/American Medical Association).

In 2017, dupilumab was approved for treatment of atopic eczema in the USA by the FDA, the approval for the EU was recommended by the EMA.

Other target structures for therapeutic antibodies are currently investigated. In this context, for example anti-TSLP and anti-Siglec-8 should be mentioned. For further possibilities of cytokine modulation, furthermore a test substance PF-06817024 in this indication is evaluated (source: clinicaltrials.gov ).

4.3 Examples of rare indications

For patients suffering from eosinophilic GPA (Churg-Strauss vasculitis), which is often associated with an involvement of the upper airways in the sense of CRSwNP, Wechsler evaluated the application of mepolizumab in a multicenter trial. In this study, 136 patients were randomized. The percentage of patients with remission was significantly higher in the group treated with mepolizumab (32 vs. 3%; odds ratio: 16.74; 95% CI: 3.61–77.56; P<0.001), in the verum group, the consumption of systemic steroids could be clearly reduced in more than 40% of the patients. The recurrence of sinonasal symptoms was complained by 35% of the patients of the mepolizumab group vs. 51% of the placebo group within one year. The profile of side effects and the steroid-saving effects allow the statement that mepolizumab is an interesting therapeutic alternative 152 .

For cystic fibrosis, new and successfully tested substances were approved with chloride channel enhancers (see chapter 1.8).

4.4 Biomarkers

A true personalization of the above-mentioned and very expensive therapy by means of biomarkers could meet the requirements of precision medicine to make available the adequate therapy at the right time of the disease for every patient in the best way possible. However, in particular the implementation of these markers turns out to be much more difficult. This is also due to the missing protection by patents and the resulting only low commercial interest. Apart from comprehensive clinical work-up of patients with CRS (see also the revised German guideline 179 ), simple markers are a good working basis.

4.4.1 Eosinophils in full blood and overall IgE: simple inflammatory markers

Especially in “western” inflammation profiles of CRSwNP, the eosinophils as well as the overall IgE in the serum are excellent global and derivative markers of Th2 inflammation 235 that are ubiquitously established without any special request and have also been investigated partially in prospective trials such as for example the JESREC cohort (see above) 188 . Also ECP is a promising marker but not easily available 140 . Larger investigations on the sensitivity and specificity are necessary.

4.4.2 Exploratory biomarkers

This field opens an enormous spectrum of possibilities for stratified therapy, however, the number of identified potential markers does not at all correspond to the state of validation, which was recently shown also for the relatively well standardized AIT 236 , nonetheless the new markers are scientifically interesting and would have to be verified. On an experimental level, for example new possibilities are seen based on the expression of DPP10 (dipeptidyl peptidase 10) as marker for AERD 237 , transglutaminase-2 (TGM2) expression in the tissue as possible marker of AERD-negative endotype 238 , and also the WNT signaling 239 . A comprehensive overview of possible local and systemic biomarkers in the airways is found in 240 .

A notable example for a Th2-associated biomarker is periostin. The expression in patients with asthma correlated with the successful response to therapy with the anti-IL-13 antibody lebrikizumab 241 . Unfortunately, those very promising data could not be confirmed in the pivotal LAVOLTA trial 242 243 . It must be discussed if this fact is due to a selection bias of the sample or the biomarker itself. In a post-hoc biomarker trial, Bachert and his research group investigated local and systemic expressions of periostin in different therapy modalities. In this context, it became obvious that the periostin expression reflects the local and systemic eosinophilic load and was reduced in serum and nasal secretion after application of systemic steroids as well as after application of mepolizumab and omalizumab in CRSwNP 244 . However, now prospective studies are required.

Even where the expression of the local pathophysiological factor would be expected, the results are very heterogenic. Thus, a trial on the treatment of CRSwNP with reslizumab could predict the therapeutic outcome based on the local expression of IL-5; in the context of treatment with mepolizumab, this correlation could not be shown (see above chapter 4.1) 229 245 .

It is unlikely in the authors’s view that only single markers will determine the biomarker situation. It may be speculated that ENT specialists will have to implement the complex data of the findings gained by hypothesis-free analyses and to make therapeutic and even surgical decisions for example supported by algorithms.

4.4.3 Molecular allergology

Due to the detection and characterization of molecular allergens, also the diagnostic precision has been relevantly improved using component-based diagnostics. In this way, allergic sensitizations can be more precisely assessed and thus allowing certain predictability with regard to the therapeutic outcome of AIT. Also for diagnosis of anaphylaxis or exclusion of sensitization against alpha-GAL before application of humanized antibodies such as cetuximab, the component-based diagnostics are essential. The EAACI established an application guideline 246 , a more compact version focused on otolaryngology has recently been published also for aeroallergens 247 .

5. Conclusion and general reflections on personalized medicine

“Personalized medicine” has become a buzzword even if it has been clearly defined by the WHO. It describes a medical model using molecular profiling technologies for tailoring the right therapeutic strategy for the right person at the right time, and determine the predisposition to disease at the population level and to deliver timely and stratified prevention. Individualized therapy as well as the population-based stratification and prevention play a key role in personalization 248 . The risk to neglect patients by molecular stratification should be taken seriously. We determine endotypes in our algorithms without knowing the complete pathophysiological picture. Avoiding side effects and not treating patients who do not express a certain biomarker or who are characterized as potential non-responders, has nothing in common with individualism and participation in the therapeutic decision-making process and does certainly not reflect the expectations that our patients have with regard to personalized medicine. Hence, this procedure is meanwhile current practice for oncological patients. A molecular determinism possibly puts at risk a well-informed healthcare behavior 249 , however, the application of biomarkers (e. g., for blood type or the identification of allergic sensitization) in stratified therapy belongs to the standard of modern medicine (e. g., blood type compatible products, allergen-specific immunotherapy) 250 .

If the term of personalized medicine or stratified medicine (which is favored by the author) is established, will have to be expected for the near future.

The difficulties of validating molecular markers in the context of clinical trials illustrate further problems: Is it still ethically justified to perform randomized, double-blind, and placebo-controlled trials with regard to a highly selective patient selection and present mechanistic standards? The example of the LAVOLTA trial demonstrates that we obligatorily need confirmatory and pivotal studies. On the other hand, there is the concern that patients do not want to be included in biomarker studies because they do not want to become victims of possible genetic discrimination 251 .

Another important aspect for head and neck surgeons is the significance of endoscopic paranasal sinus surgery in the context of personalized medicine. It is important that we optimally apply this valuable and well-established instrument in the spectrum of therapeutic options and at the same time improve the database by means of controlled trials.

The tension of the terms between personalized medicine and precision medicine raises expectations and implies the illusion of control. Medicine is not only a science and may never be completely “precise” 252 . Competing connotations, interests, and expectancies in patients, investors, and cost bearers require a realistic handling with the expectations, but also the well-informed and proactive use of new therapeutic options by human, participative, and rational medicine, also in the field or rhinology.

In this context, the otorhinolaryngologists have 2 interesting, already available perspectives: molecular therapy of chronic rhinosinusitis oriented at relatively simple biomarkers by means of new biologicals as well as specific immunotherapy precised by component-based allergy diagnosis.

Footnotes

Interessenkonflikt Adam Chaker führt über die Technische Universität München Beratungsleistungen (z.B. Advisory Boards), Vorträge oder weitere Aktivitäten für Allergopharma, ALK-Abello, GSK, HAL Allergy, Mundipharma und Lofarma durch; hat klinische Studien oder Forschungsgelder über die Technische Universität München erhalten von ALK, Allergopharma, Novartis, Bencard/Allergen Therapeutics, ASIT Biotech, GSK, Roche, und Zeller AG, ferner vom Umweltbundesamt der Bundesrepublik Deutschland und DZL (BMBF). AMC hat ferner Honorare und Reisekostenerstattungen erhalten vom Bayerischen Ärzteblatt, der Deutschen Gesellschaft für Allergologie und klinische Immunologie (DGAKI) und der European Academy of Allergy and Clinical Immunology.

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Biologicals in der Rhinologie – Individualisierte Konzepte der Zukunft

Zusammenfassung

Sinunasale Erkrankungen zählen mit zu den häufigsten chronischen Erkrankungen und führen zu einer erheblichen Störung der Lebensqualität, ein komorbides Asthma ist häufig. Trotz leitliniengerechter Therapie ist anzunehmen, dass mind. 20% der Patienten ihre Erkrankungssymptome nicht adäquat kontrollieren können. Neben den etablierten chirurgischen und konservativen Therapieoptionen finden sich nun vielversprechende Therapieansätze, die bspw. mittels therapeutischer Antikörper mechanistisch gezielt in die Pathophysiologie der Erkrankungen eingreifen können. Die Auswahl der geeigneten Patienten durch geeignete Biomarker und die richtige Therapie zum richtigen Stadium der Erkrankung anbieten zu können, ist das Ziel stratifizierter Medizin und eine wichtige Perspektive für die HNO.

Schlüsselwörter: Rhinitis, Sinusitis, Rhinosinusitis, CRS, Biologica, Nasenpolypen, personalisierte Medizin

1. Biologicals und neue Behandlungsoptionen einer stratifizierten Medizin

Biologische Medikamente werden auf der Basis eines mechanistischen Verständnisses von Krankheitsprozessen hergestellt und bestehen in der Regel aus großmolekularen Stoffen, welche durch lebendige Organismen synthetisiert wurden und die selektiv über Bindung von Zytokinen oder Rezeptoren wirken 1 . Einleitend sollen daher zunächst die Entwicklung, eine kurze Systematik, biochemische Spezifika, immunologische Effekte und charakteristische Nebenwirkungen sowie aktuelle Trends dargestellt werden.

1.1 Biologische medizinische Substanzen: eine Definition

Die europäischen Zulassungsbehörden definieren Biologika (engl.: biologics oder biological medicinal products) als biopharmazeutische Arzneimittel, die als biologische medizinische Substanz in vivo und in der Regel therapeutisch eingesetzt werden. Hierzu gehören im weiteren Sinne biotechnologisch hergestellte aktive Substanzen, z. B. therapeutische Antikörper und rekombinante Proteine, aber auch Vaccinen und Allergene, Blut- und Plasmaprodukte sowie rekombinant hergestellten Alternativen 2 . Im lebenswissenschaftlichen und medizinischen Fachjargon hat sich der Begriff Biologics vornehmlich auf therapeutische Antikörper und seltener auch für rekombinante therapeutische Proteine etabliert.

1.2 Entwicklung und historische Meilensteine

Auf Basis mechanistischer Studien, molekularbiologischer und genetischer Grundlagenforschung wurden in den 1990er Jahren therapeutische Zielstrukturen definiert und sowohl in Tiermodellen als auch in humanen translationalen Modellen validiert, bevor sie klinisch erprobt wurden. Basierend auf einem von Milstein und Köhler (Nobelpreis für Medizin 1984) entwickelten Verfahren 3 können mittels immortalisierter, hybrider B-Zellen aus Myelomzellkulturen für eine fast beliebige Zielstruktur therapeutische Antikörper hergestellt werden. Durch weitere biotechnologische Verfahren wurden erstmalig neue Biopharmaka synthetisiert, geprüft und zugelassen, z. B. rekombinante Insuline (erste Zulassung durch FDA 1982) 4 . Regelrecht befeuert wurde diese Entwicklung durch die Transfusionsskandale der 1980er Jahre, akzidentelle Transmission von HIV oder HCV an Hämophiliepatienten und der Kontamination durch Creutzfeld-Jakob bei Hypophysenextrakten zur Wachstumshormonsubstitution. Auch rekombinante Gerinnungsfaktoren 5 6 und Wachstumshormon (Zulassung durch FDA 1985) 7 8 wurden nun biotechnologisch hergestellt.

1.3 Erste Biologicals, hybride Moleküle und konzeptbedingte Vor- und Nachteile

Vor allem für onkologische und autoimmune Fragestellungen wurden vielversprechende monoklonale, neutralisierende Antikörper konstruiert, ferner Fusionsproteine mit Bindungskapazität (Etanercept), mit oder ohne intrinsische Aktivität (IL-4-Mutein), Rezeptorantagonisten, bi- und trispezifische Antikörper, die unterschiedliche Zielstrukturen binden können und gleichzeitig z. B. T-Zellen aktivieren. Rekombinante Zytokine sollten im damals dualen immunologischen Weltbild von Th1/Th2 Entzündungen 9 10 die inflammatorische Balance wiederherstellen, z. B. durch Gabe von rekombinantem IL-12 Gabe bei Asthma 11 , oder z. B. IL-10 12 und IL-11 13 bei Psoriasis. Anders als z. B. bei der Interferontherapie zur Behandlung multipler Sklerose oder viraler Hepatitiden erreichten diese Studien ihre Zielpunkte nicht konsistent und zeigten teilweise relevante Nebenwirkungen. Daher wurden diese therapeutischen Ansätze nicht weiter verfolgt.

Neben der möglichen Vielfalt an biologisch potenziell einsetzbaren therapeutischen Proteinen wurde zugleich eine Vielzahl von biotechnologischen Expressionssystemen entwickelt 14 . Nach ersten prokaryotischen wurden sukkzessive eukaryotische Expressionssysteme entwickelt, die auch größere und glykosylierte Proteine mit komplexer Tertiär und Quartärstruktur in hoher und therapeutischer Qualität reproduzierbar zur Verfügung stellen konnten. Auch hinsichtlich der Optimierung der therapeutischen Antikörper auf Zielepitope und die Entwicklung der Extraktionsprozesse wurde viel Pionierarbeit geleistet 15 16 17 18 19 .

Während ein biologisch aktives Humaninsulin ein Molekulargewicht von ca. 5000 Daltons aufweist, hat das Wachstumshormon Somatotropin ein Molekulargewicht von ca. 22000 Daltons 20 . Ein monoklonarer Antikörper liegt bei ca. 150000 Daltons, zum Vergleich: das Molekulargewicht von Acetylsalicylsäure liegt bei 180 Daltons. Die ersten therapeutischen Antikörper wurden als chimäre Proteine mit relativ hohen murinen oder anderen xenobiologischen Anteilen entwickelt und zunehmend humanisiert. Hieraus resultiert eine deutlich bessere Verträglichkeit, Wirksamkeit und Sicherheit für die Patienten. Diese Entwicklung ist auch in der Nomenklatur der Biologics abgebildet: so war der 1996 zugelassene in-vivo diagnostische anti-CEA-Antikörper Arcitumomab ein rein muriner Antikörper, der 1999 zugelassene therapeutische TNF-α Antikörper Infliximab ein chimärer Antikörper, der Herceptinantikörper Trastuzumab und der anti-IgE Antikörper Omalizumab humanisierte Antikörper, der TNF-α Antikörper Adalimumab ein vollständig humaner Antikörper (siehe auch Abb. 1 ) und 21 .

Abb. 1.

Abb. 1

Darstellung der internationalen, nichtproprietären Namen (INN) für die Entwicklung humanisierter und humaner Antikörper (Creative Common Lizenz, zitiert aus 21 , Paul W.H.I. Parren et al. 2017, mABS).

1.4 Immunogenität

Neben einer intendierten immunologischen Wirkung besteht eine üblicherweise nicht gewollte immunologische Reaktion auf die biologisch aktiven und zumeist körperfremden Substanzen im Empfängerorganismus, welche als Immunogenität bezeichnet wird. Die murinen bzw. xenobiologischen Anteile einerseits und die Glykosylierungsmuster andererseits determinieren zu einem erheblichen Teil die Immunogenität der aktiven biologischen Substanz. Hieraus resultieren z. B. ADAs (engl.: anti-drug antibodies ), die im besten Fall neutralisierend sind und zu einem Wirksamkeitsverlust führen, aber eben auch zu immunologischen Phänomenen wie Autoimmunhämolysen, Zytokinfreisetzungssyndromen, Mastzellaktivierung, Immunkomplex- und Serumerkrankungen führen können. Beispiele hierfür sind die verhältnismäßig hohen Raten an Reaktionen gegen Infliximab oder Rituximab, welche einen deutlichen murinen Anteil enthalten 22 23 . Letztlich handelt es sich bei biologischen aktiven Substanzen um komplexe, große, biotechnologisch hergestellte Medikamente. Sowohl die Art der Herstellung, aber auch Kühlung, Licht, pH-Wert, Transport und Applikation können zu kleinen molekularen Veränderungen und hiermit zu Wirkungsverlust, Molekülaggregaten und gesteigerter Immunogenität führen. Ferner können kreuzreagierende Epitope zu fatalen Anaphylaxien führen, v. a. wenn die Antigene auch IgE-Epitope sind, z. B. bei Cetuximab.

1.5 Anaphylaxien gegen Biologics: das Beispiel Cetuximab

Der EGF-Rezeptor Antikörper Cetuximab wurde 2003 in den USA (FDA) und 2004 in Europa (damals: EMEA) zunächst zur Behandlung des fortgeschrittenen Kolonkarzinoms zugelassen und wird seit Vorliegen pivotaler Studien zur Kombinationstherapie auch bei fortgeschrittenen Kopf-Hals-Karzinomen eingesetzt 24 25 26 . Bereits während der Zulassungsstudien in den frühen 2000er Jahren fielen in den USA regionale Unterschiede in der Inzidenz anaphylaktischer Reaktionen auf. So konnte zunächst 2007 O’Neil zeigen, dass bei Erstgabe die Wahrscheinlichkeit für eine anaphylaktische Reaktion global unter 3% lag. Im mittleren Südosten der USA jedoch, z. B. in Virginia, lag diese Rate bei bis zu 20% 27 28 . Diese Reaktion ist aber völlig anderer Natur als die vergleichsweise häufigen kutanen Reaktionen 29 . Platts-Mills und Kollegen konnten 2013 den Mechanismus der Sensibilisierung und die Assoziation zu Zeckenbissen und der Allergie gegen rotes Fleisch aufklären 30 31 . Die regionale Verbreitung einer Zeckenart, des sog. Lone-Star-Ticks führt nach Zeckenbiss zur Entwicklung galactose-alpha-1,3-galactose (alpha-GAL) spezifischer IgE Antikörper. Alpha-GAL ist ein bei allen nicht-primaten Säugetieren, Prosimianen und Neuweltaffen ein quasi ubiquitär exprimiertes Oligosaccharid der Glykoproteine der Zelloberfläche. Bei Primaten (Altweltaffen und Menschen) entsprechen ca. 1% des zirkulierenden IgG-Pools alpha-GAL Antikörpern, und alpha-GAL ist ein wesentliches biologisches Hindernis einer einfachen Xenotransplantation 32 . Seit 2014 existieren kommerzielle Testsysteme, mittels denen spezifisches IgE gegen Alpha-GAL nachgewiesen werden kann. Der Ausschluss einer Sensibilisierung zur Vermeidung anaphylaktischer Reaktionen vor Gabe humanisierter Antikörper kann je nach Risikoprofil für die Patienten lebensrettend sein. Risikopatienten sind Menschen mit vielen Zeckenbissen, aus Forstberufen, Katzenallergie und dem Pork-Cat-Syndrom 33 . Die Bestimmung von alpha-GAL in diesem Risikokollektiv ist eine idealtypische Anwendung personalisierter Medizin gem. der WHO-Definition: Vermeidung von Nebenwirkungen durch spezifische Charakterisierung von Patienten.

1.6 Intendierte Immunologische Effekte und passagere Immunphänomene

Die den meisten therapeutischen Antikörpern inhärente Wirkungsweise ist die Wirkung auf immunologische Prozesse, z. B. durch Antagonisierung bzw. Elimination von Botenstoffen der Entzündungskaskade (z. B. anti TNFα, anti IL-1, anti-IL-5) ( Abb. 2 ).

Abb. 2.

Abb. 2

Links dargestellt ist eine mukosale Immunreaktion gegen Allergene unter Einfluss weiterer Pathogene im Sinne einer Sensibilisierung. Hierbei sind Alarmine (IL-25, IL-33 und TSLP), proinflammatorische Zytokine (z. B. IL-4 IL-5, IL-13), antigenpräsentierende Zellen (APC), innate lymphoide Zellen (ILC) sowie T-Helferzellen und B-Zellen abgebildet. Rechts zeigt sich die Situation einer erneuten Exposition unter Involvierung von Mastzellen sowie einer zellulären Spätphasereaktion mit dem Influx von eosinophilen Granulozyten und T-Helferzellen unter Sekretion multipler Zytokine und der Nutzung interzellulärer Signalwege (nach 1 , Boyman et al. Allergy 2015). Die mechanistische Charakterisierung dieser verschiedenen Entzündungswege ermöglicht eine zielgerichtete Therapie durch z. B. therapeutische Antikörper, sowohl für die Prozesse im Epithel als auch im subepithelialen Stroma (Lizenz durch RightsLink/John Wiley and Sons).

Der Übergang von unerwünschten zu intendierten immunologischen Wirkungen ist fließend. Bi- oder sogar trispezifische Antikörper wie z. B. Catumaxomab, die bei fortgeschrittenen onkologischen Erkrankungen wie malignem Aszites eingesetzt werden und hierbei am Fc-Rezeptor einerseits, am aktivierenden T-Zellrezeptor CD3 und am epithelialen Zelladhäsionsmolekül EpCAM binden, aktivieren das Immunsystem gezielt und generieren durch die Zytokinfreisetzung neben der antineoplastischen Hauptwirkung eine inflammatorische Koaktivierung mit allerdings nicht unerheblichen Nebenwirkungen.

Ein weiterer intendierter Effekt ist die Inhibition regulatorischer immunologischer Prozesse auf T-Zellebene in vivo durch Check-Point-Kinase Inhibitoren wie z. B. Inhibition von CTLA-4 durch Ipilimumab sowie Inhibition von PD-1 durch Nivolumab oder Pembrolizumab (Übersicht in: 34 ).

In manchen Fällen werden durch Biologika hervorgerufene Autoimmunphänome bzw. Nebenwirkungen, wie z. B. bei Rituximab, durch die weitere kontinuierliche Gabe des gleichen Medikamentes de facto auf B-Zellebene kausal mittherapiert 35 .

1.7 Biosimilars

Die Komplexität und Größe der Moleküle, die unterschiedlichen Expressionssysteme und Produktionsprozesse lassen echte Generika biologischer Medikamente selbst nach Ablauf des Patentschutzes nicht zu. Deswegen wurde das Konzept der Biosimilars geschaffen 36 . Ledford 37 bezeichnet Biosimilars als eine inexakte Kopie einer Referenzsubstanz. Die entscheidende Frage aus immunologischer Sicht lautet: wie ähnlich muss ein Biosimilar der Originalsubstanz sein? Die instrumentelle Definition der EMA bezeichnet ein Biosimilar hochgradig ähnlich einer Originatorsubstanz in allen wesentlichen Punkten, also Wirkungsmechanismus, Sicherheit, Herstellungsprozess. In der EU wird von den Herstellern von Biosimilars mind. eine klinische Studie gefordert, um die biologische Äquivalenz zu dokumentieren, welche auch eine weitgehende Austauschbarkeit des Biosimilars, die sog. switchability , mit der Originalsubstanz impliziert. Ferner müssen umfangreiche Immunogenitätsdaten und Herstellungsprozessdaten vorliegen. Hierbei ist wichtig, dass die Hersteller sich zu einer dauerhaften Pharmakovigilanz und umfangreichen Qualitätssicherung verpflichten. Wird die biologische Äquivalenz attestiert, darf das Biosimilar unter dem INN-Namen auf den Markt gebracht werden. Basierend auf der nun attestierten Äquivalenz können die Zulassungsbehörden eine Extrapolation zulassen, d. h. es wird aufgrund der vorliegenden Daten angenommen, dass das Biosimilar auch in allen anderen zugelassenen Indikationen äquivalent mit der Originatorsubstanz funktioniert 38 39 . Die switchability und die Extrapolation sind die Punkte, die in der immunologischen Fachwelt besonders kontrovers diskutiert werden, da ein Großteil der Patienten mit Autoimmunerkrankungen diese Medikamente zusätzlich zu anderen immunmodulierenden Medikamenten erhält. Somit ist die Bewertung der Induktion von ADAs und der Austauschbarkeit besonders komplex. Auf Basis der aktuell den Zulassungsbehörden vorliegenden Daten ist allerdings von der Möglichkeit des Austausches resp. der switchability auszugehen 38 . Medikamente, die einer Originatorsubstanz stark ähneln, aber die diesen regulatorischen Prozess (z. B. in EU strukturiert durch die EMA, in USA durch die FDA) nicht durchlaufen, werden als intendierte Kopien bezeichnet. Diese Medikamente sind z. B. in Schwellenländern erhältlich und in der EU nicht zugelassen.

Biobetters sind Substanzen, die durch selektive kleine Änderungen veränderte physikochemische Eigenschaften, veränderte Bindungskapazitäten oder modifizierten Abbau resp. Clearance therapeutisch günstigere Eigenschaften erhalten. Ein Beispiel hierfür sind Insuline, die länger wirksam werden, oder pegylierte Antikörper, die durch die Bindung mit Polyethylenglykol (PEG) z. B. die Bioverfügbarkeit erhöhen 40 .

Abb. 4.

Abb. 4

Wirksamkeit von Mepolizumab vs. Placebo bei CRSwNP: konsistente Reduktion der OP-Erfordernis, VAS-Scores und der endoskopischen Polypenscores (nach 230 , Bachert C., JACI 2017, Lizenz durch RightsLink/Elsevier).

1.8 Small Molecules und DNAzyme

Diese Medikamente sind ebenfalls durch ein rationales Design basierend auf mechanistischen Studien entstanden, aber entgegen gängiger Annahmen keine Biologics. Viele der small molecules agieren häufig als Tyrosinkinaseninhibitoren und setzen bestimmte genetische Subtypen oder Expression von Markern für eine erfolgreiche Therapie voraus und sind damit für eine präzise Medizin von außerordentlicher Bedeutung. Allerdings setzen sie aufgrund ihrer physikochemischen Eigenschaften völlig anders an und sind typische chemische Pharmaka, i.d.R. bis 800 Daltons Größe. Etabliert sind diese bei onkologischen Anwendungen. Aktivierende EGFR-Mutationen finden sich bei 10–15% der Patienten mit Bronchialkarzinomen (z. B. Nichtraucher, Adenokarzinome) und sind daher für eine Therapie mit Gefitinib geeignet 41 . Inhibitoren der Januskinasen (sog. JAK-Inhibitoren), welche als zytoplasmatische Tyrosinkinasen die Aktivität von Zytokinrezeptoren vermitteln, können wie z. B. das small molecule Tofacitinib bei autoimmunen Erkrankungen 42 und auch möglicherweise als unterstützender Immunmodulator in der allergenspezifischen Immuntherapie eingesetzt werden 43 . Die Substanzen Ivacaftor und Lumacaftor sind als selektive Chloridkanalverstärker eine neue und vielversprechende Therapieoption bei Patienten mit zystischer Fibrose und einer delta F508 Mutation des CFTR-Gens und führen zu einer Reduktion pulmonaler Exazerbationen 44 45 .

Ein topischer Effekt durch DNAzyme, die z. B. effektiv und spezifisch gegen den Th2-Transkriptionsfaktor GATA3 gerichtet sind und damit alle nachgelagerten immunpathologischen Th2 Reaktionen unterbinden 46 , ist ebenfalls mechanistisch sehr elegant, aber definitionsgemäß kein biologic.

1.9 Kosten

Der globale Markt für Biologics im Jahre 2020 wird auf 350 Milliarden Euro geschätzt 47 . Im Jahre 2016 wurden in Deutschland biologische Arzneimittel im Wert von ca. 6,4 Mrd. Euro innerhalb der GKV verordnet, entsprechend 19% des Gesamtumsatzes aller Arzneimittel und 2,5% aller Verordnungen 48 . Mögliche Kostensenkungen durch Biosimilars werden bei ca. 20–30% verortet, da die regulatorischen Hürden für die Zulassung und Pharmacovigilance sehr hoch liegen. Derzeit sind 28 Biosimilars in der EU zugelassen. Hierbei fällt auf, dass Kostensenkungen durch Wettberwerb v. a. dort möglich sind, wo mehrere Biosimilars zugelassen sind, wobei die Marktanteile der Biosimilars nicht notwendigerweise mit den Preisen korrelieren 49 .

Nicht eingerechnet in diese Kalkulation ist allerdings die zunehmende Verordnungshäufigkeit, da sowohl die Fülle an neuen Molekülen, als auch zunehmende Anzahl von Indikationen und eine entsprechende Marktdurchdringung zu beobachten ist. Für die EU und die USA rechnet IMS Health mit möglichen Einsparungen von 50 Mrd.- 100 Mrd. US$ im Zeitraum von 2016–2020 durch den Einsatz von Biosimilars.

2. Rhinologie: Epidemiologie und Pathophysiologische Konzepte

Die Rhinologie betrifft die Lehre der Erkrankungen der äußeren und inneren Nase, der zugehörigen Nasennebenhöhlen sowie der Frontobasis und ihre chirurgische und konservative Therapie. Die Nase ist hierbei als Außenposten und Pforte der Atemwege ein Organ, welches ästhetische, funktionelle und immunologische Aufgaben übernimmt, als Sinnes-, Filter- und Reaktionsorgan 50 .

2.1 Physiologie der Nasenschleimhaut und des integrierten Schleimhautimmunsystems

Die Nasenschleimhaut ist eine „first-line of defense“. Die Bewahrung der körperlichen Integrität durch die respiratorische Schleimhaut als aktive und passive Barriere, welche zugleich Ort für innate und adaptive Immunantworten ist, die komplexe Funktion der mukoziliären Clearance, die permanente Auseinandersetzung mit partikulären und löslichen Stoffen sowie Antigenen, Allergenen und Pathogenen resultieren in der uns HNO-Ärzten bekannten Nosologie und Pathologie 51 . Ein rationales Verständnis der inflammatorischen und protektiven Mechanismen hat zur Definition neuer therapeutischer Zielstrukturen und Konzepte geführt (siehe Übersichtsarbeit, HNO-Hauptreferat 2015 bei 52 ).

Das in der Nase und den Nasennebenhöhlen in der regio respiratoria sowie partiell im Nasopharynx vorliegende respiratorische Epithel ist ein mehrreihiges Flimmerepithel, dessen Zilienfunktion dazu beiträgt, Mucus, mögliche schädliche inhalierte Substanzen und Partikel ostienwärts, respektive nach oral zu transportieren, wobei Pathologien des Zilienapparates fundamental die Atemwegsphysiologie alterieren 53 . Die Zilien übernehmen multiple Funktionen, u. a. konnte gezeigt werden, dass sie chemosensorisch sind. Zugleich ist das intakte respiratorische Epithel die Grundlage für funktionell intakte Abwehrfunktionen 54 55 . An Stellen im Übergang zu verstärkter mechanischer Beanspruchung z. B. im Pharynx geht das Epithel in ein mehrschichtiges Plattenepithel über. Im Epithel finden sich Becherzellen, welche Mucine produzieren. Diese Mucine üben eine elementare Rolle in der unspezifischen mukosalen Immunität aus, beteiligen sich an der Barrierefunktion, interagieren antimikrobiell mit multiplen antimikrobiellen Peptiden und Defensinen 56 , bilden ein hochflexibles und komplexes Mucin-Interactom aus 57 und wirken synergistisch mit inflammatorischen Zytokinen, z. B. IL-1β 58 . Submuköse Drüsen sezernieren zum einen das Nasensekret, welches eine transsudative („vasomotorische“) und sekretorische Komponente aufweist. Hierbei zeigen sich im luminalen Sekret Stoffe mit einer unspezifischen antimikrobiellen Aktivität wie z. B. Lysozym und Lactoferrin, Defensine sowie adaptive mukosale Antikörper vom IgA-Typ (IgA1 und IgA2) 59 und der Secretory-Component, welche die Biostabilität des sekretorischen IgA bedingt 60 . Ferner finden sich auch IgM und IgG. Das IgA wird durch Interaktion mit Kommensalen und äußeren Einflüssen induziert und kann zusätzlich sowohl Exotoxine als auch Pathogene neutralisieren, und durch transepithelialen Transport von sIgA Kommensalen zurück nach luminal transportieren. Mukosales IgA erfüllt u. a. durch unterschiedliche Affinitäten multiple Funktionen der Immunexklusion 61 , ist somit maßgeblich an der mukosalen Immunität der respiratorischen Schleimhaut beteiligt und determiniert einen aktiven antigenspezifischen Schutz an dieser wichtigen körperlichen Außengrenze der oberen Atemwege, welche bezogen auf die überzogene Fläche die am meisten exponierte Außenfläche des menschlichen Körpers ist.

Neben protektiven humoralen Mechanismen zeigt sich auch ein synergistisch agierendes zelluläres Kompartiment in der Schleimhaut der oberen Atemwege. Unspezifisch agieren neben Gewebemakrophagen v. a. je nach Stimuli und Pathologie eosinophile, neutrophile Granulozyten, Basophile und Mastzellen. Spezifisch und adaptiv wirken intraepitheliale Lymphozyten vom CD4 oder CD8 Typ, γδT-Zellen 62 , innate lymphoide Zellen (ILC) 63 sowie NK-Zellen können zusammen mit submukösen lymphozytären Infiltraten der Lamina propria und speziellen, funktionell angepassten NALT-Regionen mit adaptierten M-Zellen und Domarealen sowohl tolerogene, allergische als auch zytotoxische Immunantworten auslösen 64 65 . Weiterhin besteht als Bestandteil des integrierten mukosalen Schleimhautsystems im Nasopharynx die Tonsilla pharyngea, welche in der Regel mit dem Schulkindalter involutiert. Neben T-Zellinfiltraten bei z. B. allergischer Rhinitis und chronischer Rhinosinusitis mit Nasenpolypen existieren auch Areale einer lokalen IgE-Produktion durch B-Zellen 66 , sowie dendritische Zellen 67 68 . Diese professionellen antigenpräsentierenden, teilweise immaturen CD1+CD11+ Zellen bilden gemeinsam mit makrophagenähnlichen dendritischen CD11+CD14+CD68+ Zellen ein dichtes Netz zur Regulation adaptiver Immunantworten 69 und exprimieren v. a. bei Atopikern den hochaffinen IgE-Rezeptor FcεRI sowie costimulatorische Moleküle wie CD80, CD86 und CD40 70 . Es ist davon auszugehen, dass, auch abseits lymphoepithelialer Bezirke, das respiratorische Epithel sich funktionell an bestehende immunologische Verhältnisse adaptiert. Hierbei wird es zum einen durch inflammatorische Stimuli wie z. B. IFNγ oder IL-4 in seinem Transkriptom und konsekutiv funktionellen Eigenschaften verändert. Dieses führt z. B. über eine Reduktion der Expression von Tight Junction Proteinen in der Folge zu einer defekten Barrierefunktion 71 . Allerdings ist das Epithel als ein Immunointerface auch an Initiierung und Aufrechterhaltung z.B. allergischer Entzündungen mittels inflammatorischer Zytokine wie TSLP 72 , IL-25 73 oder IL-24 74 aktiv involviert. Auch die Induktion von epithelialen Alarminen wie IL-33 trägt zur Induktion mukosaler Inflammation bei 75 . Im Vollbild einer chronischen Rhinosinusitis mit Nasenpolypen westlicher Prägung finden wir prädominierend eine Typ2-Entzündung mit eosinophilen Infiltraten, lokaler Expression von IL-5, IL-13 und der Präsenz von IgE 76 77 78 (siehe auch unter 2.4: Endotypen und Übersicht bei 52 ).

2.2 United Airways

Die funktionelle und physiologische Verbindung der oberen mit den unteren Atemwegen wird uns HNO-Ärzten bei der Behandlung unserer Patienten täglich bewusst, die Assoziation v. a. klinisch schwerer Verläufe z. B. einer chronischen Sinusitis mit chronischer Bronchitis und Asthma oder allergischer Rhinitis und Asthma ist sowohl aus der Praxis als auch der Epidemiologie zu ersehen.

In einer prospektiven longitudinalen Populationskohorte aus Dänemark wurde 2002 der Zusammenhang erstmalig zwischen allergischer Rhinitis und allergischem Asthma bei Pollenallergikern überzeugend dokumentiert 79 . Vorherige Studien, auch aus gut strukturierten nationalen Kohorten 80 konnten zwar Assoziationen zeigen, nutzten aber nicht-adjustierte Datensätze.

2008 konnten Shaaban und Kollegen 81 aus einer europäischen longitudinalen Kohortenstudie in 14 europäischen Ländern bei über 6460 Patienten zeigen, dass im Beobachtungszeitraum von knapp 9 Jahren bei Patienten mit allergischer Rhinitis ein ca. 4-fach erhöhtes Risiko besteht, an Asthma bronchiale zu erkranken. Das adjustierte relative Risiko lag bei 3,53 (95% CI 2,11–5.91) für allergische Rhinitis und, auch das ist ein relevantes Ergebnis, bei 2,71 (95% CI 1,64–4.46) für nicht-allergische Rhinitis.

Auch bei chronischer Rhinosinusitis ist die Assoziation zu Asthma epidemiologisch 82 und mechanistisch abseits der typischen Vidal- oder Samter-Trias, untersucht worden. Je nach Stichprobe liegt der Anteil asthmatischer Patienten im Krankheitskollektiv mit CRS zwischen 25–70% 83 84 . Eine britische Arbeitsgruppe untersuchte eine klinische Kohorte mit 57 Patienten mit CRSwNP in Bezug auf Lungenfunktion, bronchiale Hyperreaktivität und exhaliertes Stickstoffmonoxid (FeNO). Hierbei konnte u. a. gezeigt werden, dass 3 klinische Gruppen mit unterschiedlichen Phänotypen charakterisiert werden konnten, die sich allerdings nicht in den Schweregraden ihrer sinunasalen Beschwerden unterschieden 85 . Nicht nur bei allergischem Asthma, sondern auch bei nicht-allergischem Asthma und bei COPD ließen sich assoziierte sinunasale Pathologien zeigen: Patienten mit nicht-allergischem Asthma und COPD zeigen eine höhere Symptomlast im validierten SNOT-20 Fragebogen, sowie erhöhte Konzentrationen inflammatorischer Zytokine im Nasensekret, z. B. IFNγ und G-CSF, aber auch Eotaxin und MCP-1 86 .

Das didaktisch und funktionell interessante Konzept des „ atopic march87 passt in ein solches letztlich am ehesten T-Zellvermitteltes Konzept, welches die Migration antigenspezifischer, inflammatorischer T-Zellen postuliert.

Braunstahl führte in den frühen 2000er Jahren segmental-bronchiale und nasale Allergenprovokationen durch, und konnte zeigen, dass eine segmentale, bronchiale Allergenprovokation zu einer Infiltration IL-5 produzierender Zellen und von Eosinophilen in die Nasenschleimhaut führte 88 . Eine nasale Allergenprovokation führte wiederum zu einer gesteigerten Expression von epithelialen (ICAM-1) und vaskulären (VCAM-1) Adhäsionsmolekülen in der Bronchialschleimhaut, die mit der Anzahl lokal exprimierter Eosinophilen korrelierte 89 . Auch Infiltrate mit Basophilen und Mastzellen konnten gezeigt werden 90 . Bei aller Eleganz des Studiendesigns ist die Hauptschwäche dieser Studien, dass die zelluläre Quelle des pro-eosinophil wirkenden IL-5 weder immunhistologisch noch funktionell determiniert wurde.

Die Interaktionen zwischen oberen und unteren Atemwegen sind bei weitem nicht nur immunologischer Natur: so konnte die Arbeitsgruppe um Baroody und Naclerio zeigen, dass die Nasenschleimhaut von Patienten mit allergischem Asthma die Atemluft schlechter konditionieren, d. h. erwärmen und befeuchten kann 91 92 .

2.3 Entitäten und Epidemiologie sinunasaler Erkrankungen

2.3.1 Infektionen

Die häufigste Ursache sinunasaler Erkrankungen sind akute virale Infekte mit respiratorischen Viren, primär bakterielle Rhinosinusitiden sind vergleichsweise selten. Die Ätiologie chronischer Rhinitiden und der chronischen Rhinosinusitis ist komplex und ob im Sinne einer „first hit hypothese“ am Anfang der entzündlichen Kaskade virale, fungale oder bakterielle Infektionen stehen, ist weitestgehend unklar. Auch die Rolle von Allergien, seien sie lokaler oder systemischer Natur ist nicht final geklärt.

Der „banale“ virale Schnupfen, Coryza, ist de facto die häufigste Infektionserkrankung überhaupt, wird wegen der schweren Abgrenzbarkeit von Eccles mehr als kulturelles Konzept denn als definierte klinische Entität bewertet 93 . Die 99 Serotypen der humanen Rhinoviren wurden inzwischen phylogenetisch untersucht 94 und vollständig sequenziert 95 . Die Variabilität dieser Viren ist sehr hoch und für das Immunsystem daher diffizil: neben der Vielfalt an Antigenen und der spezifischen Virulenz der Erreger sind es auch die Erreger-Wirt Interaktionen, welche Pathogenität und Penetranz determinieren. Ein Beispiel ist die genetische Assoziation von bronchialen Rhinovirusinfektionen und kindlichem Asthma 96 .

Ein Th2-Mikromilieu führt in vitro unter Einfluss des Zytokins IL-13 über Heraufregulation des epithelialen Adhäsionsfaktors ICAM-1 zu einer erhöhten Infektionsrate mit humanen Rhinoviren 97 . Dieser vermeintlich einfache Zusammenhang blieb in Kohorten bisher unbestätigt. Allerdings konnte gezeigt werden, dass Kinder mit Asthma eine deutlich länger andauernde postvirale Hyperreagibilität der Atemwege aufweisen 98 . Aus einer afebrilen Rhinovirusinfektion kann eine Exazerbation einer chronischen Rhinosinusitis oder ein exazerbiertes Asthma entstehen 99 100 . Rhinoviren sind vermutlich für ca. 50% der respiratorischen Infekte verantwortlich, neben Influenza, Adenoviren, Coronaviren und RSV (Respiratory Syncitial Virus). Vor allem Influenzaviren sind für Vaccinierungsstrategien zugänglich 101 .

Die frühe Infektion mit RSV wird auch als Risikofaktor für die Entwicklung eines allergischen Asthma gesehen 102 103 . Entwicklungen von Vaccinierungsstrategien für Coronaviren und RSV sind v. a. für Risikopopulationen im Sinne einer stratifizierten Prävention von Bedeutung. Zur Prophylaxe von RSV-Pneumonien bei suszeptiblen Kindern (z. B. Frühgeborene) steht mit dem Biologic Pavilizumab ein sekundärpräventiv einzusetzender, passiv immunisierender Antikörper zur Verfügung (Guideline in Pediatrics: 104 ).

Die Rolle viraler Infekte der oberen Atemwege auf Genese und Exazerbation ist bisher nur unzureichend verstanden, in vitro Modelle zeigen v. a. eine Induktion costimulatorischer Signale 105 im Epithel und z. B. die synergistische Einwirkung im Th2-Mikromilieu auf Pendrine, welche u. a. zur Dyskrinie und Sekretion bei chronischer Rhinosinusitis beitragen 106 .

Akut bakterielle Superinfektionen einer viralen Sinusitis treten in ca. 2% der unkomplizierten Fälle auf 107 108 109 . Die häufigsten Keime bei einfacher akuter bakterieller Rhinosinusitis ohne vorbestehende chronische Rhinosinusitis sind Streptoccocus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Moraxella catarrhalis und Staphylococcus aureus. Bei vorbestehender Infektion mit Rhinoviren konnte eine erhöhte Adhäsion verschiedener Bakterien, u. a. für S. aureus gezeigt werden 110 .

Bei Atopikern liegt unter dem Einfluss von IL-4 eine alterierte Funktion der granulozytären Abwehr 111 vor, im Modell sind daher bakterielle Superinfektionen mechanistisch gut erklärbar. Dabei sind die mikrobiellen Interaktionen bei chronischer Rhinosinusitis komplexer Natur. Zum einen spielen Biofilme eine relevante Rolle 112 , ferner ist das Mikrobiom im untersuchten Krankheitskollektiv wahrscheinlich iatrogen alteriert und in seiner Diversität stark zu Gunsten einzelner Spezies eingeschränkt. So zeigten Abreu und Kollegen einen Verlust von Milchsäurebakterien zu Gunsten von Corynebacterium tuberculostearium 113 . Choi und Kollegen konnten eine Besiedlung mit S. aureus identifizieren 114 . Da v. a. schwere Fälle einer CRS mit Nasenpolypen mit der Präsenz von spezifischem IgE gegen S. aureus Enterotoxin vergesellschaftet sind, und auch die Kolonialisation der Mukosa mit S. aureus mit Nasenpolypen, einer Gewebeeosinophilie und einem Th2-Mikromilieu assoziiert ist 115 , stellt sich die Frage nach Ursache und Wirkung. Tatsächlich findet sich S. aureus IgE auch im schweren Erwachsenenasthma 116 und die Involvierung von Superantigenen im atopischen Ekzem ist sowohl klinisch als auch experimentell dokumentiert 117 . Die Rolle eines komplexen Mikrobioms ist in diesen heterogenen und häufig mit Antibiotika vorbehandelten Kollektiven daher nur schwer abschätzbar. Daten zur Exazerbation durch bakterielle Superinfektion bei CRS sind lückenhaft. Therapeutische Mikrobiominterventionen, z. B. als Mikrobiotatransfer sind ein vielversprechendes Instrument der personalisierten Medizin 118 , allerdings in der Rhinologie bisher nicht publiziert.

2.3.2 Tabakrauch

Tabakrauch konnte konsistent als unabhängiger Risikofaktor für Sinusitis in epidemiologischen Studien gezeigt werden (OR 1,7: 95% CI 1,6–1,9) 119 , Übersicht im HNO-Referat von Beule 120 .

2.3.3 Allergien

Weltweit sind zwischen 10–40% aller Menschen von einer allergischen Rhinitis betroffen 121 122 . Zur Untersuchung der Epidemiologie der allergischen Rhinitis gibt es seit Jahren konsistent strukturierte, internationale Krankheitskohorten, überwiegend im Standard von ISAAC (International Study of Asthma and Allergy in Childhood 123 ), die zudem von populationsbasierten, repräsentativen Kohortenstudien gestützt werden. Uni sono ergibt sich seit den 1980er Jahren ein Bild der global ansteigenden, in letzter Zeit zumindest in Europa leicht stagnierenden, Prävalenz respiratorischer Allergien. Ca. 500 Millionen Menschen leiden wahrscheinlich weltweit an allergischer Rhinitis, die sozioökonomischen Folgen sind erheblich (Übersicht in 122 ). In Deutschland zeigen die Daten der Studie zur Gesundheit Erwachsener (DEGS1) eine Lebenszeitprävalenz für allergische Erkrankungen von ca. 30% 124 . Im Rahmen einer bevölkerungsbezogenen Stichprobe mit mehr als 7000 Blutproben von Erwachsenen wiesen mind. 48% der Patienten eine allergische Sensibilisierung auf, hierbei waren insgesamt 33,6% der Teilnehmer gegen Aeroallergene sensibilisiert 125 . Diese Zahlen wurden durch das Robert Koch Institut (RKI) in der mit über 23000 zufällig ausgewählten Personen allgemeinen Studie „Gesundheit Erwachsener in Deutschland 2014“ (GEDA-Studie) bestätigt, das RKI spricht von einem „Allergie-Tsunami“: die 12-Monatsprävalenz für allergische Erkrankungen lag bei rund 28% 126 . In den USA sind ebenfalls bis zu 30% der Bevölkerung an einer allergischen Rhinitis erkrankt, ca. 60% können ihre Symptome durch Therapie mit Antihistaminika oder topischen Steroiden nicht adäquat kontrollieren 127 . In Deutschland werden nur ca. 10% der Patienten leitliniengerecht behandelt 128 . Die einzige kausale therapeutische Option zur Behandlung der allergischen Rhinitis ist die spezifische Immuntherapie 122 129 , diese zeigt eine hervorragend dokumentierte klinische Wirksamkeit und Sicherheit, sowohl als subkutane 130 als auch sublinguale Immuntherapie 131 132 133 und wirkt nachgelagert präventiv auf die Entwicklung eines allergischen Asthma bronchiale 134 135 136 (siehe auch 2.5).

2.3.4 Chronische Rhinitis

Verhältnismäßig gute epidemiologische Daten zur chronischen Rhinitis bei Adoleszenten finden sich durch die Isle of Wight Geburtskohorte, die auch die Assoziation verschiedener Cluster zum Asthmarisiko darstellt 137 . Die chronische Rhinitis als Differentialdiagnose zur chronischen Rhinosinusitis abzugrenzen ist klinisch und begrifflich nicht trivial, aktuelle Darstellungen definieren den fachlichen Konsensus, robuste Daten sind im Vergleich zur allergischen Rhinitis nicht verfügbar 138 139 . Bei der nicht-allergischen chronischen Rhinitis existieren mit der Nicht-Allergischen Rhinitis mit Eosinophilie (NARES) 140 , der hormonellen Rhinopathie, einer Rhinitis mit neurogener Inflammation 141 (die ggf. ein eigener Endotyp ist, s.u. 2.4) und der idiopathischen Rhinitis (im angelsächsischen weiterhin häufig als vasomotorische Rhinitis bezeichnet) Subtypen, die selektiv pharmakologisch mit topisch nasalen Steroiden, einer topischen Parasympathikolyse mit z. B. Ipratropiumbromid ( off-label in Deutschland) oder Capsaicin (sofern verfügbar) behandelbar sind.

2.3.5 Chronische Rhinosinusitis

Der Kategorialbegriff der chronischen Rhinosinusitis bezeichnet entzündliche Erkrankungen der Nase und der Nasennebenhöhlen mit einer Krankheitsdauer von über 12 Wochen. Die EPOS3-Leitlinie von 2012 107 definiert chronische Rhinosinusitis als mind. 12 Wochen andauernde Erkrankung der Nase und ihrer Nebenhöhlen, charakterisiert mit mehr als 2 der folgenden Symptome: a. Nasenatmungsbehinderung b. Rhinorrhoe c. Druckgefühl oder Schmerzen im Gesicht d. Hyp- oder Anosmie, wobei entweder mind. Nasenatmungsbehinderung oder Rhinorrhoe als obligate Symptome vorliegen sollen. Klinisch sollen entweder endoskopische Zeichen von Nasenpolypen, eine mukopurulente Rhinorrhoe aus dem mittleren Nasengang und/oder CT-morphologische Zeichen von Schleimhautveränderungen in der ostiomeatalen Einheit oder der Nasennebenhöhlen vorliegen. Diese Definition aus dem europäischen Positionspapier wurde in den letzten Jahren zunehmend international akzeptiert. Ebenfalls wurde, unabhängig der Ätiologie und Pathogenese der Erkrankung die chronische Rhinosinusitis in eine mit (english: with) Nasenpolypen (CRSwNP) und eine chronische Rhinosinusitis ohne (lat. sine) CRSsNP unterteilt 107 142 .

Die Epidemiologie der chronischen Rhinosinusitis methodisch und regional konsistent zu untersuchen ist schwierig. Zum einen bestehen bei identischen Erhebungsmethoden deutliche regionale Unterschiede, zum anderen bestehen sehr unterschiedliche Ansätze zur Erhebung, bspw. durch ärztliche Diagnose und, inzwischen allgemein in der epidemiologischen Methodik etabliert, durch Fragebogensysteme und/oder der Erfassung der krankheitsbezogenen Lebensqualität. Eine umfassende Übersicht findet sich bei 120 . Die konsistentesten Erhebungen mittels standardisierter Fragebögen im Rahmen des „Global Allergy and Asthma Network of Excellence“ (GA2LEN) wurden singulär für chronische Rhinosinusitis 119 und kombiniert für Asthma in Assoziation mit chronischer Rhinosinusitis durchgeführt 82 .

Hierbei konnte erstere Studie bei über 57000 Rückmeldungen aus 12 verschiedenen europäischen Ländern mit Patienten im Alter zwischen 15–75 Jahren eine globale Prävalenz von 10,9% (Intervall 6,9–27,1%) gemäß der Definition der europäischen Leitlinien feststellen. Diese Daten wurden u. a. in einer amerikanischen Studie mit einer globalen Prävalenz der CRS von 11,9% 143 bestätigt. Die zweite Studie 82 untersuchte in diesem Datensatz zusätzlich die Assoziation zu Asthma. Trotz der Heterogenität in der Prävalenz der CRS zwischen den einzelnen Regionen in Europa war die Assoziation zwischen CRS und Asthma über alle Zentren und Altersgruppen vergleichbar (adjustierte OR: 3,47; 95% CI: 3,20–3,76). Patienten, die zusätzlich zu den Symptomen ihrer CRS eine allergische Rhinitis angaben, hatten ein nochmals deutlich erhöhtes Risiko, von einem Asthma betroffen zu sein (adjustierte OR: 11,85; 95% CI: 10,57–13,17). Bei Nichtallergikern hingegen zeigte sich eine Assoziation zu einem sog. late-onset Asthma. CRS geht einher mit einer deutlich reduzierten Lebensqualität und hat eine hohe sozioökonomische Bedeutung 144 .

Die Analgetikaintoleranz, welche im angelsächsischen Schrifttum als AERD, aspirin exacerbated respiratory disease bezeichnet wird, ist eher mit schweren Verläufen assoziiert 107 . Eine aktuelle Metaanalyse 145 berichtete eine 7–15% Prävalenz der AERD bei Asthmatikern und eine erhöhte Prävalenz bei schweren Fällen. Patienten mit einer CRS zeigten in rund 8,7% der Fälle, Patienten mit einer gesicherten CRSwNP in rund 9,7% die Symptome einer AERD. Gem. 107 EPOS3 zeigten ca. 15% der Patienten mit einer CRS eine AERD. Zhang und Kollegen konnten zeigen, dass spezifisches IgE gegen S. aureus Enterotoxin bei diesen Patienten überproportional häufig exprimiert ist 146 .

Wichtige, jedoch auch deutlich seltenere Differentialdiagnosen stellen autoimmune Systemerkrankungen mit sinunasaler Beteiligung dar. Hier sind v. a. Vaskulitiden zu nennen, deren klinische Bilder stadienabhängig z. T. erheblich einer chronischen Rhinosinusitis ähneln können 147 148 . Hier wurden zuletzt an der Nomenklatur des American College of Rheumatolology (ACR) Änderungen vorgenommen, v. a. sind an dieser Stelle GPA (vormalig Wegener’sche Granulomatose 149 ) und die eosinophile Granulomatose mit Polyangitis (vormalig Churg-Strauss Vaskulitis) zu nennen. Die Kriterien zur Diagnosestellung der GPA der Europäischen Liga Rheumatologie (EULAR) und dem ACR sind aufgrund der aktuellen „Diagnostic and Classification Criteria in Vasculitis Study“ (DCVAS)-Studie derzeit in Revision 150 . Für eine Therapie der GPA mit Rituximab wird inzwischen der Empfehlungsgrad A ausgesprochen 151 . Mechanistisch ist außerdem die eosinophile GPA ein interessantes Target für Antikörper, die sich gegen IL-5 oder seinen Rezeptor richten und auch schon in klinischen Studien untersucht wurden ( 152 , 4.2 s.u.).

Die zystische Fibrose (auch Mukoviszidose) ist die häufigste autosomal-rezessiv vererbte genetische Erkrankung (1: 2000 Lebendgeburten) und geht mit einer Fehlfunktion von membranalen Chloridkanälen, dem CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator) einher, die in den Atemwegen sowie im Gastrointestinaltrakt in einer veränderten Mucuszusammensetzung resultiert. In den Atemwegen führt der zähe, nur erschwert mobilisierbare Schleim zu rekurrenten, opportunistischen und häufig lebensbedrohlichen bronchopulmonalen und sinunasalen Infektionen. Die alterierte Funktion im Gastrointestinaltrakt bedingt bei fehlender Enzymsubstitution aufgrund einer exokrinen Pankreasinsuffizienz malnutritive Syndrome. Beinahe 2000 Mutationen des CFTR-Gens sind bekannt, daher variieren die Phänotypen teils deutlich (Übersicht bei 44 45 ). Bei mind. 25–40% aller Patienten findet sich eine sinunasale Polyposis 107 153 . Phänotypisch existieren je nach Stichprobe histologische Subtypen mit eher neutrophilen oder eosinophilen Entzündungsmustern ( 154 155 . Bei der Therapie der CF haben sich neue selektive Therapien mit small molecules etabliert (s. o. 1.8).

Das sehr viel seltenere Kartagenersyndrom 156 ist der Prototyp einer Ziliendyskinesie 53 und geht obligat mit einer sinunasalen Polyposis, zudem Bronchiektasen und einem Situs inversus einher. Die Polypen können ebenfalls eosinophile Infiltrate aufweisen, interessanterweise wurde zudem eine deutlich reduzierte Expression der NO-Synthethase im Gewebe demonstriert 157 . Dieser Befund passt a priori zu niedrigen exhalierten NO-Werten in der Diagnostik 158 . Die Nutzung einer eNose kann in Exhalaten zwischen gesunden Patienten, Kartagenersyndrom und zystischer Fibrose mit respektive ohne chronische Infektion mit Pseudomonas aeroginosa unterscheiden 159 und ist hierdurch ein interessantes neues Werkzeug zur möglichen Endotypisierung.

2.4 Endotypen chronischer Atemwegentzündungen

Die phänotypische Definition der Erkrankung einer chronischen Sinusitis mit oder ohne Nasenpolypen sagt zunächst nichts über ihren molekularen Entstehungsmechanismus aus, kann den Therapieerfolg nicht voraussagen und hilft auch nicht bei der Allokation der optimalen Therapie, also z. B. konservative Standardtherapie mit oder ohne Operation 142 160 . Ein profundes mechanistisches Verständnis ist allerdings die Grundlage für eine gezielte, idealerweise präzise und personalisierte Therapie. Die hypothesenbasierte immunologische Entzündungsforschung der letzten 30 Jahre hat vornehmlich auf Basis des auch didaktisch eleganten Th1/Th2 Modells 9 10 die Assoziation von allergischen Atemwegserkrankungen mit einer phänotypischen prädominanten Eosinophilie zu den Th2 Erkrankungen identifiziert. Dieses wurde erstmalig durch Bachert 76 für die chronische Sinusitis mit Nasenpolypen gezeigt, weitere intensivierte Untersuchungen von Zytokinmustern 77 und auch der involvierten T-Zellklone 161 folgten. Allerdings entdeckte man z. B. in asiatischen Kohorten ein anderes Entzündungsmuster mit überwiegend IL-17 assoziierten Entzündungsmustern 162 . Die mukosalen Entzündungsmuster scheinen dabei einem mechanistischen, und ursächlich wahrscheinlich soziokulturellen Wandel 163 , hin zu einem „westlicheren“ Zytokinprofil, zu unterliegen. Des weiteren wurden in Zentralchina Patienten mit CRSwNP diagnostiziert, bei denen keines der klassischen Zytokinmikromilieus, also weder eine Th1 noch Th2 noch Th17 Entzündung überwog 164 . Auch Sonderformen der CRS, z. B. bei zystischer Fibrose, finden sich andere Entzündungssignaturen 161 165 . Das Vorhandensein unterschiedlicher Infiltrate korreliert auch mit dem Ansprechen auf Therapie. So konnte Wen 166 zeigen, dass Nasenpolypen mit überwiegend neutrophilen Infiltraten klinisch nicht auf orale Steroidbehandlung ansprechen. Mucin-1 Expression konnte hingegen als Marker für ein Ansprechen auf Steroide identifiziert werden 167 .

Die in den westlichen Industrieländern dominierende Th2-assoziierte Pathophysiologie bei entzündlichen Atemwegserkrankungen hat zu entsprechenden biomedizinischen Therapiekonzepten geführt, welche ganz überwiegend Zytokine aus dem Th2-Mikromilieu adressieren (siehe 4.2, klinische Studien). Abseits der Frage nach Bezahlbarkeit neuer Therapieverfahren hat sich im Rahmen der personalisierten Medizin ein Konzept etabliert, welches Endotypen beschreibt. Erstmalig von Anderson 168 beschrieben, sollte dieses Konzept zu einem selektiveren und mechanistisch rationalen therapeutischen Vorgehen führen. Bei der Definition von Endotypen werden z. B. genetische, mechanistische, histologische oder funktionelle Charakteristika gruppiert, um unterschiedliche und mechanistisch kohärente Entitäten zu definieren 169 . Wenzel beschrieb vereinfacht einen „Molekularen Phänotyp“ 170 . Zwar befassten sich in den letzten Jahren mehrere Positionspapiere sehr namhafter Autoren mit diesem Konzept: immerhin, und das ist ein großer Fortschritt, ist für die chronische Rhinosinusitis eine europäische, multizentrische Analyse und rein datengetriebene Studie verfügbar 171 .

Für diese Kohorte im GA2LEN Netzwerk wurden initial 917 Patienten in 8 europäischen Ländern resp. 10 europäischen Universtitätskliniken rekrutiert. Von 173 Patienten mit CRS und 89 Kontrollen konnte letztlich in adäquater Qualität und Menge Gewebe zur Analyse gewonnen werden. Hierbei wurden anhand einer vordefinierten Biomarkerauswahl sämtliche Proben charakterisiert und durch eine hypothesenfreie Analyse zu 10 verschiedenen Gruppen zugeordnet. Es wurden entzündliche Parameter (MPO, IL-1β, IL-6 und IL-8), Typ2-Entzündungsmarker (IgE, ECP, IL-5 und Albumin), in der 3. Gruppe IL-17, TNF-α und IL-22, und ferner in 2 weiteren Gruppen IFNγ, TGFβ 1 , S. aureus enterotoxin IgE im Rahmen einer hierarchischen Clusteranalyse untersucht. Die resultierenden 10 Cluster wurden dann mit klinischen Phänotypen verglichen und erschienen sowohl mechanistisch als auch klinisch plausible und kohärente Subtypen abzubilden. So zeigten die IL-5 negativen Gruppen klinisch überwiegend eine chronische Rhinosinusitis ohne Nasenpolypen und ohne Asthma, während die IL-5 positiven Gruppen, welche auch hohe systemische und lokale IgE-Level aufwiesen, mit einem hohen Anteil an Asthma erkrankten Patienten einhergingen. Die Patienten, die besonders hohe IgE-Werte sowie spezifisches IgE gegen S. aureus Enterotoxin zeigten, litten durchweg an chronischer Rhinosinusitis mit Nasenpolypen und fast alle an comorbidem Asthma bronchiale. Die Studie hat leider einen relevanten Schwachpunkt: Sie hat, obwohl mit Sicherheit erhoben, keine weiteren klinischen Daten mit abgebildet, also standardisierte Symptomscores und/oder krankheitsbezogene Lebensqualität. Idealerweise hätten auch mehr der initial über 900 Patienten in die Analyse eingeschlossen werden können und sollen, dennoch möchte man vorsichtig 3 grundlegende, z. B. in Versorgungsdaten und weiteren klinischen Studien zu überprüfende axiomatische Aussagen treffen:

  1. Je kranker ein Patient mit chronischer Rhinosinusitis in Europa ist, desto mechanistisch wahrscheinlicher ist eine eosinophile Entzündung, die je nach Schwere mit einer quantitativen Involvierung von IL-5, IgE und IgE gegen S. aureus Enterotoxin einhergeht.

  2. Es existiert ein Nebeneinander unterschiedlicher inflammatorischer Muster: zusätzlich zu Th2-Zytokinen wie IL-5 findet sich in einzelnen Clustern eine generisch-inflammatorische Aktivierung von IL-6 und IL-8, ferner IFNγ und hiervon unabhängig IL-17 mit IL-22, oder IL-22 alleine.

  3. Die funktionelle operative Therapie der chronischen Rhinosinusitis kann bei diesen komplexen Entzündungsmustern, welche die oberen und unteren Atemwege involvieren, nur ein Baustein unter mehreren sein und sollte idealerweise durch rationale antiinflammatorische Maßnahmen begleitet werden.

Neben diesen Th2-assoziierten Endotypen existieren wahrscheinlich neurogene inflammatorische Endotypen beim Phänotyp der nicht-allergischen Entzündung, der gut auf die Therapie mit Capsaicin anspricht 141 . Die begriffliche Unschärfe wird z. B. sehr schön bei der hormonell induzierten Schwangerschaftsrhinopathie ersichtlich: es gibt einen sehr distinkten hormonellen Pathomechanismus, welcher hinreichend für eine Endotypendefinition ist, allerdings lässt sich die Erkrankung auch rein phänotypisch am Patienten definieren.

Die Ausarbeitung der Endotypen der oberen Atemwege ist im Fluss und es besteht an vielen Stellen noch kein adäquater begrifflicher Konsensus 172 173 . Noch deutlicher ist allerdings das Defizit an Daten, welches es nun zu beheben gilt.

2.5 Stratifizierte, nachgelagerte Prävention

Die frühe Involvierung der Nase bei respiratorischen Erkrankungen macht die oberen Atemwege auch zu einem interessanten tertiär-präventiven Hebel.

Die allergenspezifische Immuntherapie (AIT) als klassische personalisierte Therapie ist das wichtigste Arbeitspferd in der Allergologie. Die AIT bewirkt, mutmaßlich anders als die dauerhafte Gabe therapeutischer Antikörper, einen „disease modifying effect“ und ist vor diesem Hintergrund auch als Präventionsinstrument zu betrachten.

Für die allergische Rhinitis konnte mit der randomisierten, kontrollierten und offenen Preventive Allergy Treatment Study (PAT-Studie) an 183 Kindern gezeigt werden, dass zum Zeitpunkt 5 Jahre nach Therapiebeginn die Kinder, die eine 3 jährige spezifische Immuntherapie (SIT) gegen Birken- und/oder Gräser erhalten hatten, signifikant weniger an allergischem Asthma erkrankten [odds ratio 2,68 (1,3–5,7)] 135 . Zum Zeitpunkt 10 Jahre nach Therapiebeginn zeigten sich noch günstigere Resultate mit einer odds-ratio von 4,6 95% CI (1,5–13,7) kein Asthma in der Immuntherapiegruppe zu entwickeln 134 .

Diese Daten konnten durch Analysen von retrospektiv analysierten Versorgungsdaten aus Ostdeutschland mit einem Pool von insgesamt 118754 Patienten im Zeitraum 2006–2012 im Grunde bestätigt werden: es zeigte sich bei allergischen Patienten, die eine AIT erhielten, eine geringere Anzahl an Asthmaneuerkrankungen im Vergleich zu Allergikern, die keine AIT erhielten, das relative Risiko betrug nach Regressionsanalyse 60% (RR, 0,60; 95% CI, 0,42–0,84), jedoch differierte das nicht-adjustierte Risiko nicht 174 .

Mit der Publikation der Grass-Asthma-Prevention (GAP)-Studie konnte erstmalig in einer doppelblind-placebokontrollierten Studie ein nachgelagerter präventiver Effekt in Bezug auf Asthmasymptome für die spezifische Allergenimmuntherapie gezeigt werden. In dieser europäischen Studie wurden 812 Kinder mit einer hochdosierten Gräsertablette bzw. Placebo randomisiert und 3 Jahre immuntherapiert. Die Studie erreichte ihren primären Endpunkt, Zeitpunkt des Auftretens von Asthma durch prädefinierte reversible Verschlechterung der Lungenfunktion, nicht. Allerdings konnten konsistent und signifikant weniger Asthmasymptome und weniger Verbrauch von Asthmamedikation (odds ratio=0,66, p<0,036) in der Verumgruppe gezeigt werden 136 .

Anders als bei der spezifischen Immuntherapie der allergischen Rhinitis sind die Daten zur chronischen Rhinosinusitis sehr viel heterogener zu bewerten und die Kohorten bei Interventionen in der Regel auch deutlich kleiner. Interessant sind in diesem Zusammenhang v. a. Versorgungsstudien. So zeigen retrospektive Daten des National Health Service (NHS) im Vereinigten Königreich, dass die späte Operation von Patienten mit chronischer Rhinosinusitis häufiger zu schweren und rekurrenten Fällen sowie zu Asthma bronchiale führen kann, Marktforschungsdaten scheinen diese Daten zu stützen 175 176 . Eine Studie mit prospektiven Daten eines nationalen britischen Audits berichtet, dass v. a. die Patienten, die an Allergien und Asthma litten, besonders spät operiert wurden. Dieses kann sowohl an einer schleichenden Symptomadaptation und als auch möglicherweise konservativen Therapieattitüde liegen, wobei aus den Daten ersichtlich wird, dass die früh operierten Patienten bei Nachbeobachtungsvisiten nach 12 und 60 Monaten eine bessere Symptomkontrolle und krankheitsbezogene Lebensqualität aufwiesen 177 . Auch scheinen bei Patienten, die zu einem früheren Zeitpunkt operiert wurden, weniger nachgelagerte Gesundheitskosten zu entstehen 178 .

Ob die Schlussfolgerung richtig ist, und eine frühe Operation von Patienten mit chronischer Rhinosinusitis vor rekurrenten Krankheitsverläufen und vor komorbidem Asthma wirklich schützt, wird sich nur durch konsistente Daten aus randomisierten Interventionsstudien, Kohorten und Versorgungsdaten demonstrieren lassen. Nur aus solchen Daten lassen sich Handlungsempfehlungen für stratifizierte Präventionsansätze im Sinne einer personalisierten Medizin gewinnen.

3. State of the art

Für die Therapie der Rhinosinusitis existiert im deutschen Sprachraum eine im Jahr 2017 aktualisierte S2k-Leitlinie 179 auf die an dieser Stelle verwiesen wird. Das in dritter Auflage zuletzt 2012 revidierte europäische Positionspapier EPOS entspricht dem Grunde nach in Umfang und wissenschaftlichem Anspruch einer europäischen Leitlinie und umfasst sowohl die akute als auch chronische Rhinosinusitis. Zur Therapie der allergischen Rhinitis wird das umfangreiche Dokument „Allergic Rhinitis and its Impact on Asthma“ als Standardwerk im Bereich der europäischen Allergiegesellschaft, der European Academy of Allergy and Clinical Immunology (EAACI) referenziert. Wegweisend zur kausalen Therapie der allergischen Rhinitis ist die deutsche Leitlinie zur Spezifischen Immuntherapie aus dem Jahr 2014 129 .

Der Stellenwert der funktionellen endoskopischen Nasennebenhöhlenchirurgie zur Therapie der CRS ist als hoch zu bewerten. Hierfür sprechen zum einen Versorgungsdaten aus Gesundheitssystemen mit eingeschränktem Zugang zu einer hochwertigen operativen Versorgung, zum anderen schlichtweg rationale mechanistische Überlegungen der pathologischen Anatomie der ostiomeatalen Einheit 180 181 . Hierbei sollte die operative Therapie in all den Fällen erfolgen, in denen mittels konservativer Therapie eine nur unzureichende Kontrolle der Symptome der CRS möglich ist und wenn ein durch Endoskopie und/oder Bildgebung gesichertes pathologisches Korrelat als zu behebendes Operationsziel definiert werden kann. Die derzeit vorliegende Evidenz ist trotz 2 rezenter Metaanalysen unbefriedigend 182 183 , da die Metaanalysen nur qualitativ hochwertige und standardisierte Studien bewerten können. Solche Studien fehlen derzeit.

Die europäische Leitlinie EPOS3 spricht auf Basis der vorliegenden Evidenzen (Level 1a) für 2 Grundpfeiler der konservativen Therapie in der chronischen Rhinosinusitis ohne Nasenpolypen eine quasi uneingeschränkte Empfehlung (Grad A Empfehlung) aus: die Therapie mit topisch-nasalen Steroiden und Nasenspülungen mit NaCl. Bei Patienten mit chronischer Rhinosinusitis mit Nasenpolypen werden als konservative Handlungsoption topisch-nasale und orale Steroide uneingeschränkt empfohlen, in EPOS3 sind eigene Metaanalysen zur Unterstützung dieser Empfehlung hinterlegt 107 .

Eine eindeutige Empfehlung zu Gunsten topischer Therapie findet sich in einer evidenzbasierten Review von Rudmik 184 . Für topische Steroide liegen zudem 2 neue Metaanalysen der Cochrane Gesellschaft vor, nachdem eine Metaanalyse wg. Vorliegen neuer Daten von Kalish 185 zurückgezogen wurde. Chong legte 2016 eine Metaanalyse vor, welche 18 randomisierte, kontrollierte Studien mit einem Pool an 2738 Patienten inkludieren konnte. Die Autoren der Metaanalyse kritisieren, dass bei den Studien für topisch nasale Steroide zwar ein moderater Effekt auf Symptome wie nasale Obstruktion und gesamte Krankheitsschwere gepoolt messbar ist, die Qualität der Evidenz, gemessen an der Anzahl der Studien und Patienten, nur moderat oder schlecht ist und die Nachbeobachtungszeiträume zu kurz sind. Ferner sei die krankheitsassoziierte Lebensqualität nicht ausreichend berücksichtigt worden 186 . Die praktisch gleiche Autorengruppe verglich zudem in einer zweiten Metaanalyse unterschiedliche intranasale topische Steroide. Auf Basis der vorliegenden Studien konnte allerdings keine Aussage zu Gunsten einzelner Substanzen oder Applikationsformen gegeben werden 187 .

Eine Vielzahl von Therapien erreicht im europäischen Positionspapier eine Empfehlung der Kategorie C oder A- (nicht empfohlen). Auf Basis der neuen Metaanalysen und auch der konfirmatorischen Studien mit Biologika werden bei der nächsten Aktualisierung mit großer Wahrscheinlichkeit neue Empfehlungen implementiert werden.

Die aktuelle leitliniengerechte Therapie versorgt ohne Zweifel viele Patienten adäquat, gerade in einem sehr gut strukturierten und akzessiblen Gesundheitssystem wie in Deutschland. Allerdings zeigen uns Daten aus Phänotypisierungsstudien, dass wir zum einen sehr heterogenes Therapieansprechen sowohl bei chirurgischen als auch konservativen Therapieverfahren haben und manche Patientengruppen praktisch gar nicht profitieren 160 . Soler und Kollegen versuchten daher aufgrund eines Algorithmus mit nichtsupervidiertem maschinellen Lernen diese Gruppen prädiktiv zu identifizieren. Dieses gelang in dieser Pilotstudie partiell, führte aber zu völlig unintuitiv erfassbaren klinischen Gruppen, die zusätzlich bar eines – zumindest derzeit bekannten- pathophysiologischen Korrelats sind. Dennoch müssen solche Kohorten aufgearbeitet und reproduziert werden, um eine mögliche Nutzbarkeit, auch in Algorithmen prospektiv zu überprüfen. Ein Scoring-System namens JESREC (Japanese Epidemiological Survey of Refractory Eosinophilic Chronic Rhinosinusitis) lieferte in der Zusammenschau von endoskopischen und radiologischen Befunden mit systemischer Eosinophilie in einer Kohorte mit über 1700 Patienten in Japan einen cut-off Wert, mit welchem ein diagnostisches Kriterium für eine eosinophile CRS wNP und ein erhöhtes Risiko von Rezidiven beschrieben werden kann 188 . Diese Ergebnisse sollten mit einem ggf. modifizierten Score international reproduziert werden. Ein Schwachpunkt der Studie ist, dass nicht überprüft werden konnte, wie sich Vorbehandlung mit Steroiden auf die Nutzbarkeit dieses Tests auswirkt, da mit Steroiden vorbehandelte Patienten von der Studie ausgeschlossen wurden.

Ein sog. “unmet clinical need” der aktuellen leitliniengerechten Therapie ergibt sich aus verschiedenen Gründen. Zum einen wird zunehmend deutlich, dass vermutlich über 20% der Patienten trotz leitliniengerechter, adäquater, effektiver und sicherer Therapie ihre Symptome nur partiell oder gar nicht kontrollieren können 189 . Zudem scheint der Anteil an Rezidiven jahrelang unterschätzt worden zu sein. Die Rate an Revisionsoperationen liegt im Vereinigten Königreich bei 19,1% für CRS und 20,6% für CRSwNP in einem 5-Jahreszeitraum und hat sich trotz verbesserter chirurgischer Techniken und der Verfügbarkeit optimierter topischer Steroide nicht gebessert 190 . In einzelnen Kohorten erkranken bis zu 80% der Patienten mit einer CRSwNP an Rezidiven 84 .

Mit großer Wahrscheinlichkeit müssen wir unsere Patienten zukünftig realistischer aufklären, allerdings brauchen wir auch besser charakterisierte klinische Kohorten. Zudem ist völlig unklar, welchen Anteil z. B. fehlende Kooperation und suboptimale Compliance bei der Einnahme topischer Steroide 191 an schweren Krankheitsverläufen hat. Die fehlende Krankheitskontrolle in diesem epidemiologisch und sozioökonomisch relevanten Kollektiv chronisch kranker Patienten mit schwerer und persistierender allergischer Rhinitis oder chronischer Rhinosinusitis ist ein derzeit nicht adäquat quantifizierter Faktor. Ein nicht unerheblicher Anteil dieser Patienten wird möglicherweise als SCUAD (Severe chronic upper airway disease) mit einem multifaktoriellen Geschehen zu bewerten sein 192 .

Stratifizierte Medizin kann an dieser Stelle eine individuelle Therapie und nachgelagerte Prävention ermöglichen. Ein Mittel hierfür sind pathophysiologisch rationale und gezielte Interventionen mit Biologika.

4. Biologika in Studien mit rhinologischen Erkrankungen

4.1 Allergische Rhinitis

4.1.1 Studien mit Omalizumab

Die bis jetzt letzte und fünfte humane Immunglobulinklasse IgE wurde nach einem wissenschaftlichen Wettlauf zwischen Johansson und Bennich mit Kimishige und Teruko Ishizaka 1967 entdeckt. Ishizaka benannten es Immunglobilin E 193 , konnten es aber nicht isolieren und charakterisieren. Das bis dahin nicht identifizierte „Reagin“ der Prausnitz-Küster Reaktion wurde durch Bennich und Johansson charakterisiert 194 und die Assoziation zu Asthma noch im gleichen Jahr gezeigt 195 . Die IgE-vermittelte Sensibilisierung gegen ein Allergen ist die pathomechanistische Grundlage der modernen Allergologie und komplettierte das durch von Pirquet gefasste Konzept der Allergie als spezifische Hypersensitivitätsreaktion 196 .

Omalizumab ist ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen IgE und wurde 2003 von der FDA und 2005 von der Europäischen Regulierungsbehörde (damals EMEA) zur Therapie des schweren allergischen Asthma zugelassen. Mechanistische Studien zur kausalen Behandlung allergischer Erkrankungen erfüllten die Erwartungen zunächst nicht, da trotz der effektiven pharmakologischen Antagonisierung und Elimination von IgE aus dem Serum weiterhin allergische Reaktionen auftreten.

Casale konnte in einer doppelblind und placebokontrollierten Studie bei einer Kohorte mit 536 Patienten den dosisabhängigen Effekt von Omalizumab zur Monotherapie bei Patienten mit allergischer Rhinitis gegen Ragweed zeigen 197 . Dieser Effekt konnte 2003 auch für ganzjährige Allergene bestätigt werden 198 .

Mechanistisch interessant war die Kombination von Omalizumab mit allergenspezifischer Immuntherapie. Hierbei konnte Omalizumab v. a. bei der beschleunigten Aufdosierung des Allergens zur effektiven und tolerogenen Erhaltungsdosierung, der sog. Rush -Immuntherapie, die Häufigkeit und Schwere der Nebenwirkungen in der Phase der Aufdosierung deutlich reduzieren. Kopp setzte Omalizumab in einer pädiatrischen Kohorte ein und konnte in vitro eine reduzierte Freisetzung von Leukotrienen bei Kindern beobachten, die unter dem Schutz von Omalizumab gegen Pollen immuntherapiert wurden 199 .

Im Rahmen einer Studie des Immune Tolerance Networks des National Institutes of Health (USA) wurde von Casale eine doppelblind-placebokontrollierte 4-Arm Studie mit einer Rush -Immuntherapie gegen Ragweedpollen in der Kombination mit und ohne Omalizumab sowie einer zweifachen Placebogruppe durchgeführt. Es wurden je Arm 39–40 Patienten randomisiert. Von insgesamt 159 Patienten beendeten 123 Patienten die Studie, die präsaisonal begann, die Pollensaison inkludierte und insgesamt 21 Wochen andauerte. Der primäre Endpunkt der Studie war der Vergleich der saisonalen Symptomscores zwischen der Gruppe mit kombinierter Gabe von Omalizumab und Allergenimmuntherapie gegen die Gruppe mit Immuntherapie alleine. Der primäre Endpunkt konnte erreicht werden, auch wenn die Effektstärke verhältnismäßig gering war (0,61 vs. 0,85, p=0,12). Zudem konnte in einer post-hoc Analyse gezeigt werden, dass die Gabe von Omalizumab die Häufigkeit von systemischen allergischen Reaktionen während der Rush-Immuntherapie um 80% und signifikant reduzierte, die Rate lag allerdings mit 25,6% in der Gruppe mit Immuntherapie ohne Omalizumab sehr hoch und basierte auf einer verblindeten Selbsteinschätzung der Patienten. Die erhöhte Wirksamkeit der kombinierten Gabe von Omalizumab mit Immuntherapie war darauf zurückzuführen, dass zum Zeitpunkt der Pollensaison Omalizumab noch weiter therapeutisch administriert wurde. Ob die Wirkung der Immuntherapie über den Zeitpunkt der systemischen Elimination von Omalizumab hinaus in der kombiniert behandelten Gruppe besser war, lässt sich anhand der publizierten Daten nicht feststellen.

In-vitro Proben von insgesamt n=36 Individuen aus dem selben Patientenkollektiv wurden in einer weiteren mechanistischen Studie durch Klunker et al. untersucht. Hierbei wurde ein validierter facilitated antigen binding (FAB)-Assay zur Erfassung der inhibitorischen Aktivität gegen an B-Zellen bindendes IgE gemessen. Die Bindung von IgE wurde in der Gruppe der kombiniert behandelten Patienten und in der Gruppe mit Omalizumab um nahezu 100%, auch über die Pollensaison hinaus inhibiert, die Gruppe mit Immuntherapie allein erreichte eine Inhibition von 50%. Mechanistisch konnte hiermit gezeigt werden, dass allergenspezifisches IgE in beiden Therapiearmen mit Omalizumab nicht mehr verfügbar war. Interessanterweise konnte der seruminhibitorische Effekt bis zum Zeitpunkt 42 Wochen nach Behandlung den Effekt aufrechterhalten und war in der kombinierten Behandlungsgruppe auch deutlich ausgeprägter 200 .

Kopp publizierte 2009 eine weitere pädiatrische Studie 201 , welche die klinische Effektivität der kombinierten spezifischen Immuntherapie gegen Gräserpollen mit Omalizumab demonstrieren konnte.

In der klinischen Routine hat sich die kombinierte Gabe von Omalizumab plus Allergen in Europa v. a. bei Patienten etabliert, die ein erhöhtes Sicherheitsprofil bei der spezifischen Immuntherapie benötigen. Dieses betrifft z. B. das Vorliegen eines schweren Asthma bronchiale, Urtikaria, schwere Nahrungsmittelallergien 202 oder vorbekannter Anaphylaxien. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass nicht alle diese Anwendungen in label sind. Eine gute Übersichtsarbeit findet sich unter 203 .

4.1.2 Studien mit VAK694

Die Induktion von regulatorischen T-Zellen, die den Transkriptionsfaktor Foxp3 exprimieren und anderen Subtypen, z. B. Tr1-Zellen, gilt als ein entscheidender Faktor im Wirkungsmechanismus der spezifischen Immuntherapie 204 . Tatsächlich ist ein Monitoring dieser T-Zellkonversion zu regulatorischen Populationen extrem schwierig und human bisher nur durch aufwändige ex-vivo Untersuchungen möglich 205 206 , ein antigenspezifisches Monitoring erfolgt nur über durchflusszytometrische Analysen mit Tetrameren oder Elispots 207 208 . Mechanistische Studien zur spezifischen Immuntherapie konnten zeigen, dass die Induktion von regulatorischen T-Zellen mit der Sekretion inhibitorischer Zytokine wie TGF-β 1 und IL-10 einhergeht, IL-4, IL-5 und IL-13 sezernierende T-Zellen werden reduziert 209 210 211 212 . Während IL-5 als pro-eosinophiles Zytokin maßgeblich zur Eosinophilie allergischer Entzündungen beiträgt, induzieren IL-4 und IL-13 zum einen die Produktion von IgE in B-Zellen und haben direkte proinflammatorische Effekte auf das respiratorische Epithel 74 , die Schleimsekretion sowie die Becherzellhyperplasie allergischer Entzündungen der Atemwege 213 . Mantel konnte 2007 zeigen, dass IL-4 die Induktion des Transkriptionsfaktors FoxP3 in T-Zellen und damit die Bildung von regulatorischen T-Zellen dosisabhängig in-vitro inhibiert 214 . Auf dieser Basis entstand das Konzept einer kombinierten spezifischen Immuntherapie mit einem humanen anti IL-4 Antikörper. Ziel war die Elimination des IL-4 Signals in vivo , um eine wirksamere und nachhaltigere Induktion regulatorischer T-Zellen zu erreichen. Der Antikörper VAK694 ist ein vollhumaner Antikörper gegen das Zytokin IL-4 und wurde in einer experimentellen, doppelblind-placebokontrollierten, 3 armigen Studie in Kombination mit spezifischer Immuntherapie gegen Gräser bei n=37 Patienten eingesetzt. Primärer Endpunkt der Studie war die kutane allergenspezifische Spätphasereaktion als antigenspezifisches Surrogat für T-Zellsuppression 12 Monate nach Therapie in vivo . Explorativer Surrogatendpunkt war die antigenspezifische Produktion von IL-4 in Elispots in vitro . Zudem wurden die T-Zellpopulationen durchflusszytometrisch charakterisiert. Die Studie war als proof-of-concept Studie angelegt und nicht zur Detektion von Symptomunterschieden zwischen den Therapiegruppen in der Pollensaison gepowert. Der primäre Endpunkt, Toleranz in der kutanen Spätphase im Vergleich zu Standardtherapie, also spezifische Immuntherapie alleine, wurde nicht erreicht, da Standardtherapie alleine eine Suppression der allergeninduzierten kutanen Spätphase von über 90% erzielte, obwohl eine subeffektive Dosierung des Allergens gewählt worden war. Das proof of concept wurde in vitro erreicht: es zeigte sich eine nachhaltige Suppression allergenspezifischer IL-4 produzierender Zellen, 12 Monate nach Ende der kombinierten Therapie und im Vergleich zu Immuntherapie alleine sowie gegen Placebo. Dieser Effekt konnte allerdings nicht im klinischen Endpunkt, der kutanen Spätphasereaktion gezeigt werden 215 . Ob die Kombination von anti-IL-4 mit spezifischer Immuntherapie weiterverfolgt wird ist ungewiss, da die Entwicklung von VAK694 angehalten wurde.

4.2 Chronische Rhinosinusitis

4.2.1 Omalizumab

Die Rolle von IgE bei Asthma, allergischer Rhinitis und atopischer Dermatitis sowie zur Parasitenabwehr wurde sehr früh beschrieben 216 . 1970 wurde erstmalig im Gewebehomogenisat IgE bei Nasenpolypen nachgewiesen 217 und von Whiteside 1975 218 auf lokalen lymphozytären Zellen und in Korrelation zu systemischen IgE-Leveln und Atopie untersucht. Eine bereits damals adressierte Frage der lokalen IgE-Produktion in Nasenpolypen wurde ein relevanter Forschungsgegenstand in der Pathophysiologie der CRS. 2001 konnte Bachert zeigen, dass der Anteil an IgE im Gewebe mit den lokalen eosinophilen Infiltraten korrelierte 78 . Die in den frühen 2000er Jahren entdeckte Assoziation zu spezifischem IgE gegen S. aureus Enterotoxin 146 219 bei v. a. schweren Fällen war ein weiteres Indiz für die pathophysiologische Involvierung von IgE. 2005 konnte Gevaert die lokale IgE Synthese im Gewebe dokumentieren 66 . Von hieraus war es eine logische Konsequenz, einen therapeutischen Einsatz von Omalizumab bei Patienten CRS mit Nasenpolypen in klinischen Studien zu untersuchen. Erste Fallberichte und retrospektive Fallserien finden sich bei Penn 220 , Guglielmo 221 und Vennera 222 , überwiegend an Patienten, die wegen ihres schweren Asthma in label mit Omalizumab behandelt wurden. Pinto und Kollegen publizierten als erste Arbeitsgruppe eine doppelblind-placebokontrollierten Studie. Die Studie konnte keine Überlegenheit des Verumarmes im Vergleich zu Placebo zeigen. Dieses lag an den Einschlusskriterien, da in diese Studie sowohl Patienten mit als auch ohne Nasenpolypen eingeschlossen wurden 223 . Eine placebokontrollierte Folgestudie mit Omalizumab bei Patienten mit CRSwNP und comorbidem Asthma über einen Therapiezeitraum von 16 Wochen von Gevaert 2013 publiziert konnte konsistent eine Reduktion des nasalen Polypenscores (− 2,67, P=0,001) sowie in den nasalen Symptomscores und der krankheitsbezogenen Lebensqualität im Vergleich zu Placebo beobachten 224 ( Abb. 3 ). Weitere Studien in dieser Indikation wurden nach Recherchen der Studienregister bereits beendet (NCT01066104), die Ergebnisse waren zum Zeitpunkt der Manuskripteinreichung nicht publiziert. Folgestudien zur CRS waren als aktiv rekrutierend zu diesem Zeitpunkt u. a. in Clinicaltrials.gov registriert.

Abb. 3.

Abb. 3

Änderung des nasalen Polypenscores unter Therapie mit Omalizumab vs. Placebo (nach 224 , Gevaert P., JACI 2013, Lizenz durch RightsLink/Elsevier).

Paradoxerweise kommt es in der Initialphase der Behandlung mit Omalizumab zu einem passageren Anstieg des Gesamt-IgE durch Bildung biologisch inaktiver aber messbarer IgE-Antikörperkomplexe. Erst nach einem Zeitraum von ca. 16 Wochen kann der pharmakodynamisch Response im Serum adäquat gemessen werden. Pharmakodynamische Untersuchungen unter Therapie Omalizumab zeigen ferner, dass die de novo IgE-Synthese unter Therapie mit Omalizumab pro Jahr um ca. 50% fällt 225 . Zurückzuführen ist dieses über eine mögliche Änderung der IgE Homöostase aufgrund negativer feed-back Mechanismen, die den niedrig-affinen IgE-Rezeptor involvieren. Aus diesem Grund ist es berechtigt, von einer möglichen zeitlichen Limitierung der Therapie und Auslassversuchen auszugehen. Hierfür müssen allerdings Langzeitdaten bewertet werden, um rationale Therapiekorridore definieren zu können.

4.2.2 Reslizumab

Die pathophysiologische Rolle von IL-5 bei CRSwNP westlicher Prägung wurde früh beschrieben 76 77 . Eine therapeutische Antagonisierung lag daher nah. Die erste Studie im Menschen und eigentliche Meilensteinstudie bei CRSwNP wurde von Gevaert 2006 publiziert. In dieser ersten doppelblind-placebokontrollierten Studie erhielten insgesamt 24 Patienten mit bilateraler CRSwNP eine medikamentöse Einmalgabe des humanisierten anti-IL-5 Antikörpers Reslizumab oder Placebo. Der Effekt auf systemische Eosinophile im Blut und ECP-Konzentrationen im Serum war bis zu 8 Wochen pharmakodynamisch nachweisbar. Lediglich die Hälfte der mit Verum behandelten Patienten zeigte einen therapeutischen Effekt auf die endoskopisch erhobenen Polypenscores. In einer post-hoc Analyse konnten Gevaert und Kollegen jedoch darlegen, dass es sich bei den Respondern um diejenigen Patienten handelte, welche zum Ausgangspunkt hohe IL-5 Konzentrationen im Nasensekret hatten. Mittels einer Regressionsanalyse konnte ein cut-off Wert für IL-5>40 pg/ml im Nasensekret definiert werden, der einen positiven Therapieeffekt auf die Behandlung mit Reslizumab vorhersagen konnte (odds ratio, 21,0; 95% CI, 1,5–293,3; P=0,009). Eine multizentrische Studie mit Reslizumab in den USA untersuchte die Wirksamkeit bei schlecht kontrolliertem, eosinophilen Asthma bronchiale. Interessanterweise war Reslizumab in der Subgruppe der Asthmatiker mit vorbekannter CRSwNP wirksamer als bei Asthmatikern ohne Polypen 226 . Diese Subtypisierung entsprach quasi einer indirekten Endotypisierung. Eine weitere Studie zur CRS mit Reslizumab ist zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung in Clinicaltrials.gov als rekrutierend registriert.

4.2.3 Mepolizumab

Nach ersten erfolgreichen Studien zur Behandlung des eosinophilen Asthma 227 228 wurde durch Gevaert eine 2:1 randomisierte Pilotstudie von 8 Wochen Dauer mit 2 therapeutischen Gaben (je 750 mg intravenös) des humanisierten anti-IL-5 Antikörpers Mepolizumab durchgeführt. Die, gemessen an der in der EU aktuell für eosinophiles Asthma zugelassenen Dosierung (100 mg s.c.), vergleichsweise hohe Dosis, wurde allerdings gut toleriert und zeigte bei einem Großteil der behandelten Patienten eine Reduktion der Polypengröße, welche konsistent auch radiologisch dokumentiert werden konnte. Von Interesse war, dass bei dieser Studie, anders als bei der Untersuchung von Reslizumab, die lokale IL-5 Konzentration im Nasensekret den Therapieerfolg nicht vorhersagen konnte 229 .

2017 wurde eine europäisch-multizentrische, konfirmatorische Phase II/III Studie für Mepolizumab zur Therapie der CRSwNP von Bachert und Kollegen publiziert. Bei dieser 2009 initiierten Studie wurden europaweit 105 Patienten mit schwerer therapierefraktärer CRSwNP mit Indikationsstellung zur operativen Therapie 1:1 entweder zu 750 mg Mepolizumab oder Placebo randomisiert und erhielten 6 malig alle 4 Wochen ihre Therapie unter Fortführung der Therapie mit topisch nasalen Steroiden. Der primäre Endpunkt wurde definiert als Indikation bzw. Erfordernis zur operativen Therapie der CRSwNP zum Zeitpunkt 25 Wochen nach Beginn der Therapie. Zum Zeitpunkt 25 Wochen nach Randomisierung benötigten 30% der Patienten unter Mepolizumab keine chirurgische Therapie mehr (ITT, 16 [30%] vs. 5 [10%]; P=0,006). Konsistent hiermit reduzierten sich in der verumbehandelten Gruppe auch die VAS-Scores (− 1.8 in Woche 25 (ITT 95% CI, 22,9 zu 20,8; P=0,001), der SNOT-22 Test und in der post-hoc Analyse auch die endoskopischen Polypenscores (siehe auch Abb. 4 ). Auch in dieser Studie wurde Mepolizumab trotz der vergleichsweise hohen Dosierung gut toleriert. Riechen wurde auf Basis der VAS in der Verumgruppe besser, leider wurden in der Studie unterschiedliche Riechtests verwendet, weshalb dieser wichtige Zielparameter nicht systematisch verwertbar ist 230 .

Abb. 5.

Abb. 5

Änderung des nasalen Polypenscores unter Therapie mit Dupilumab vs. Placebo (nach 232 , Bachert C., JAMA 2016, Lizenz durch RightsLink/American Medical Association).

4.2.4 Benralizumab

Ähnlich wie Mepolizumab und Reslizumab inaktiviert Benralizumab funktionell die Vermittlung biologischer, überwiegend pro-eosinophiler, Effekte von IL-5 durch Bindung des therapeutischen humanisierten Antikörpers an die IL-5-alpha Untereinheit des IL-5 Rezeptors (Übersicht bei 231 ). Für CRS sind derzeit keine Studien publiziert. Zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung war eine Studie zur CRS im Studienportal Clinicaltrials.gov als aktiv und nicht rekrutierend registriert.

4.2.5 Dupilumab

Der vollständig humane Antikörper bindet die gemeinsame alpha-Untereinheit des IL-4 und IL-13 Rezeptors und unterbricht hiermit pleiotrope Th2-Signale in multiplen immunologischen Kompartimenten. Die gute Wirksamkeit bei eosinophilem Asthma 232 und insbesondere in der Therapie des atopischen Ekzems mit auch pivotalen Studien wurde überzeugend dargelegt 233 234 . In der Indikation CRS untersuchte ein internationales Konsortium um Bachert und Kollegen in einer Phase II/III Studie von 16 Wochen Dauer Dupilumab vs. Placebo als add-on Therapie zu topisch-nasalen Steroiden bei 60 Patienten. Im endoskopischen Polypenscore konnte eine Differenz von (− 1,6 [95%CI, − 2,4 zu − 0,7]; P<0,001) von Verum im Vergleich zu Placebo gezeigt werden. Dieser Effekt war konsistent mit einer Reduktion der CT-morphologisch bestimmten LundMacKay Scores und des SNOT-22 (siehe auch Abb. 5 ).

Dupilumab wurde 2017 durch die FDA zur Behandlung des atopischen Ekzems in den USA zugelassen, die Zulassung in der EU wurde durch die EMA empfohlen.

Weitere Zielstrukturen für therapeutische Antikörper werden derzeit untersucht. Hier sind z. B. anti-TSLP und anti-Siglec-8 zu nennen. Für weitere Möglichkeiten der Zytokinmodulation wird zudem eine Prüfsubstanz PF-06817024 in dieser Indikation untersucht (Quelle: Clinicaltrials.gov ).

4.3 Beispiele für seltene Indikationen

Für Patienten mit einer eosinophilen GPA (Churg-Strauss Vaskulitis), welche häufig mit einer Beteiligung der oberen Atemwege im Sinne einer CRSwNP einhergeht, wurde in einer multizentrischen Studie von Wechsler der Einsatz von Mepolizumab evaluiert. Bei dieser Studie wurden 136 Patienten randomisiert. Der Anteil der Patienten mit Remission war in der mit Mepolizumab behandelten Gruppe deutlich höher (32% vs. 3%, 32% vs. 3%; odds ratio, 16,74; 95% CI, 3,61 to 77,56; P<0,001), in der Verumgruppe konnte zudem die Nutzung systemischer Steroide bei über 40% der Patienten deutlich gesenkt werden. 35% der mit Mepolizumab vs. 51% der mit Placebo behandelten Patienten beklagten innerhalb eines Jahres das Wiederauftreten sinunasaler Symptome. Das Nebenwirkungsprofil und die steroideinsparenden Effekte machen Mepolizumab daher zu einer interessanten Therapiealternative 152 .

Für zystische Fibrose wurden mit den Chloridkanalverstärkern neue und erfolgreich klinisch geprüfte Substanzen zugelassen (siehe small molecules , 1.8.).

4.4 Biomarker

Eine echte Personalisierung dieser oben beschriebenen und sehr teuren Therapie durch Biomarker würde dem Anspruch der Präzisionsmedizin eher gerecht werden können, so gut als möglich jedem Patienten die richtige Therapie zum richtigen Zeitpunkt der Erkrankung zur Verfügung zu stellen. Gerade die Etablierung dieser Marker stellt sich nun sehr viel schwieriger dar. Dieses liegt aber auch an der fehlenden patentrechtlichen Schützbarkeit und dem daraus resultierenden nur geringen kommerziellen Interesse. Abseits eines umfassenden klinischen work-up bei Patienten mit CRS (siehe hierzu die aktualisierte deutsche Leitlinie 179 ) sind einfache Marker eine gute Arbeitsgrundlage.

4.4.1 Eosinophile im Vollblut und Gesamt-IgE: einfache inflammatorische Marker

Gerade bei „westlich“ geprägten Entzündungsprofilen der CRSwNP sind die Eosinophilen sowie das Gesamt-IgE im Serum gute globale und derivative Marker der Th2-Entzündung 235 , welche ubiquitär und ohne Sonderanforderung etabliert sind und partiell auch schon prospektiv in Studien wie z. B. der JESREC Kohorte (s. o.) untersucht wurden 188 . Auch ECP ist ein vielversprechender Marker, aber nicht so einfach verfügbar 140 . Größere Untersuchungen zu Sensitivität und Spezifität wären hilfreich.

4.4.2 Explorative Biomarker

Dieses Feld eröffnet sehr große Möglichkeiten zur stratifizierten Therapie, allerdings korrespondiert die Anzahl der identifizierten potenziellen Marker in keiner Weise mit dem Stand der Validierung, wie zuletzt auch für die vergleichsweise gut standardisierte AIT gezeigt wurde 236 , allerdings sind die neuen Marker wissenschaftlich spannend und daher zu überprüfen. Experimentell zeigen z. B. sich neue Möglichkeiten auf Basis der Expression von DPP10 (Dipeptidylpeptidase 10) als Marker für AERD 237 , Transglutaminase-2(TGM2) Expression im Gewebe als möglicher Marker bei AERD-negativem Endotyp 238 und auch dem WNT-Signalling 239 . Eine gute Übersicht möglicher lokaler und systemischer Biomarker in den Atemwegen findet sich bei 240 .

Ein denkwürdiges Beispiel für einen Th2-assoziierten Biomarker stellt Periostin dar. Die Expression bei Patienten mit Asthma korrelierte mit dem erfolgreichen Ansprechen auf die Therapie mit dem anti-IL-13 Antikörper Lebrikizumab 241 . Leider konnten diese sehr vielversprechenden Daten in den pivotalen LAVOLTA Studien so nicht bestätigt werden 242 243 . Ob dieses an einer Selektionsbias der Stichprobe liegt oder am Biomarker selbst, ist zu diskutieren. In einer post-hoc Biomarkerstudie wurden lokal und systemische Expression von Periostin durch die Arbeitsgruppe um Bachert in verschiedenen Therapiemodalitäten untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Periostinexpression die lokale und systemische Eosinophilenlast reflektiert und sowohl nach Gabe von systemischen Steroiden, als auch nach Gabe von Mepolizumab und Omalizumab bei CRSwNP im Serum und im Nasensekret reduziert war 244 . Allerdings sind nun prospektive Erhebungen gefordert.

Selbst dort, wo die Expression des lokalen pathophysiologischen Faktors naheliegend wäre, sind die Ergebnisse heterogen. So konnte in der Studie zur Behandlung der CRSwNP mit Reslizumab die lokale Expression von IL-5 den Therapieerfolg vorhersagen, bei der Therapie mit Mepolizumab ist dieser Zusammenhang bisher nicht nachgewiesen worden (s. o. 4.1) 229 245 .

Aus Sicht des Autors ist nicht davon auszugehen, dass einzelne Marker das Bild bestimmen werden. Es ist durchaus darüber zu spekulieren, dass wir HNO-Ärzte die komplexen Daten der durch hypothesenfreie Analysen gewonnenen Erkenntnisse werden verinnerlichen müssen und z. B. mit Unterstützung von Algorithmen unsere therapeutischen, auch chirurgischen Entscheidungen treffen werden.

4.4.3 Molekulare Allergologie

Durch die Entdeckung und Charakterisierung molekularer Allergene hat sich mit der komponentenbasierten Diagnostik auch die Präzision der Diagnosestellung deutlich verbessert. So lassen sich allergische Sensibilisierungen sehr viel akkurater diagnostizieren und erlauben auch eine gewisse Aussagefähigkeit in Bezug auf das therapeutische Outcome einer AIT. Auch in der Diagnostik der Anaphylaxie oder zum Ausschluss einer Sensibilisierung gegen alpha-GAL vor Gabe humanisierter Antikörper wie z. B. Cetuximab ist die komponentenbasierte Diagnostik essentiell. Die EAACI hat einen Anwendungsleitfaden erstellt 246 , eine kompaktere auf die HNO fokussierte Version ist auch für Aeroallergene kürzlich publiziert worden 247 .

5. Fazit und grundsätzliche Überlegungen zur personalisierten Medizin

„Personalized medicine“ ist, obwohl durch die WHO klar definiert, scheinbar ein Modewort geworden. Es beschreibt allerdings ein „medizinisches Modell, welches molekulare Technologien einsetzt, um die richtige therapeutische Strategie für die richtige Person zum richtigen Zeitpunkt maßzuschneidern und das zugleich die Krankheitsdisposition in der Population determiniert und zeitgemäße, stratifizierte Präventionsansätze liefert“. Sowohl die individualisierte Therapie als auch die populationsbasierte Stratifizierung und Prävention spielen bei der Personalisierung eine Rolle 248 . Das Risiko, durch molekulare Stratifizierung Patienten zu vernachlässigen, sollte ernstgenommen werden. Wir determinieren in unseren Algorithmen Endotypen, ohne das volle pathophysiologische Bild zu kennen. Nebenwirkungen zu vermeiden, und Patienten nicht zu behandeln, die einen Biomarker nicht exprimieren, oder als potenzielle „non-responder“ charakterisiert werden, hat mit gefühlter Individualität und Partizipation im therapeutischen Entscheidungsprozess sehr wenig gemein und dürfte nicht die Erwartung widerspiegeln, welche unsere Patienten an eine personalisierte Medizin haben. Dabei ist dieses Vorgehen für Patienten in der Onkologie inzwischen alltäglich. Ein molekularer Determinismus gefährdet zudem möglicherweise auch ein aufgeklärtes Gesundheitsverhalten 249 , dabei ist der Einsatz von Biomarkern (z. B. der Blutgruppe oder der Nachweis einer allergischen Sensibilisierung) für eine stratifizierte Therapie (z. B. blutgruppenkompatible Blutprodukte, allergenspezifische Immuntherapie) eigentlich zum Standardrepertoire der modernen Medizin zugehörig 250 .

Ob sich perspektivisch die Bezeichnung Personalisierte Medizin, Präzisionsmedizin oder stratifizierte Medizin (persönlicher Favorit des Autors) etabliert, bleibt abzuwarten.

Die Schwierigkeiten der Validierung molekularer Marker verdeutlicht zudem bei der Durchführung klinischer Studien weitere Probleme: kann ich bei einer hoch-selektiven Patientenauswahl und vorhandenen mechanistischen Standards überhaupt noch ethisch vertretbar, randomisiert, doppelblind und placebokontrolliert testen 248 ? Das Beispiel der LAVOLTA Studien zeigt uns, dass wir zwingend konfirmatorische und pivotale Studien brauchen. Auf der anderen Seite gibt es Befürchtungen, dass Patienten nicht an Biomarkerstudien teilnehmen möchten, um nicht Opfer möglicher genetischer Diskriminierung zu werden 251 .

Ein wichtiger Aspekt für uns operativ tätige HNO-Ärzte ist der Stellenwert der endoskopischen Nasennebenhöhlenchirurgie im Rahmen der personalisierten Medizin. Es ist wichtig, dass wir dieses wertvolle und sehr gut etablierte Instrument im Orchester der therapeutischen Möglichkeiten optimal einsetzen und zugleich hierfür die Datenbasis durch kontrollierte Studien verbessern.

Das Spannungsfeld der Begriffe zwischen personalisierter Medizin zur Präzisionsmedizin weckt Hoffnungen und impliziert eine Kontrollillusion. Medizin ist nicht nur eine Wissenschaft und kann nie völlig „präzise“ werden 252 . Konkurrierende Konnotationen, Interessen und Hoffnungen bei Patienten, Investoren und Krankenkassen erfordern einen realistischen Umgang mit den Erwartungen aber auch die aufgeklärte und proaktive Nutzung neuer therapeutischer Möglichkeiten durch eine menschliche, partizipative und rationale Medizin, auch in der Rhinologie.

Hier gibt es für uns HNO-Ärzte in der Rhinologie 2 interessante und schon jetzt umsetzbare Perspektiven: die an verhältnismäßig einfachen Biomarkern orientierte molekulare Therapie der chronischen Rhinosinusitis durch neue Biologika sowie die durch komponentenbasierte Allergiediagnostik präzisierte spezifische Immuntherapie.


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