Het verbeteren van adoptieve T cel therapieën tegen kanker vereist in vivo testen

Probleem

Veel vormen van kanker, zoals uitgezaaide melanoom en longkanker, kunnen nog steeds slecht worden genezen. Immuuntherapie met behulp van T lymfocyten biedt nieuwe kansen, maar leidt helaas nog steeds maar bij een minderheid van patienten tot langdurige remissie. Op basis van nieuwe inzichten in de werking van het immuunsysteem kunnen vele manieren worden bedacht om immuuntherapie te verbeteren. Veel van deze inzichten zijn afkomstig uit muizenproeven en directe extrapolatie naar mensen is niet mogelijk, omdat er grote verschillen bestaan in het immuunsysteem tussen muizen en mensen. Onderzoek naar de werking van het humane immuunsysteem vindt veelal plaats in weefselkweek. Het wordt echter steeds duidelijker dat kweekcondities, waarbij bijvoorbeeld concentraties van nutrienten en de zuurstofspanning onfysiologisch zijn, grote invloed hebben op behaalde resultaten en een slechte afspiegeling bieden van immuunresponsen in tumoren. Bovendien worden T cellen in tumoren beinvloed door diverse andere immuunceltypes, en deze complexiteit wordt niet benaderd door in vitroproeven. Het aantal rationele opties om behandelingen te verbeteren is tenslotte te groot om in patienten te kunnen testen. Er bestaat dus grote behoefte aan een testsysteem waarin humane immuunresponsen tegen kanker kunnen worden onderzocht in de metabole en cellulaire omgeving van de tumor in vivo.

Achtergrond

Het vermogen van T cellen om kankercellen te herkennen en doden wordt ingezet bij adoptieve T cel therapie (ACT), waarbij patienten T cellen krijgen toegediend, die gericht zijn tegen antigenen van hun tumoren. TIL therapie is een reeds toegepaste vorm van ACT. Hierbij worden tumor-infiltererende T cellen (TILs) geisoleerd uit een tumor resectie, opgekweekt, en vervolgens teruggebracht in de patient. Van patienten met stadium IV melanoma reageert bijna de helft positief op deze behandeling en ongeveer 20% wordt langdurig kankervrij. Deze resultaten zijn veel gunstiger dan met traditionele therapieen. Bovendien blijken ook patienten die niet (meer) reageren op checkpoint remmers nog baat te kunnen hebben bij TIL therapie. Desalniettemin is er veel ruimte voor verbetering. Voor tumorafstoting is het essentieel dat ingebrachte T cellen de tumor kunnen herkennen. Voor TIL producten is het niet altijd zeker dat dergelijke cellen aanwezig zijn. In een alternatieve vorm van ACT, die nu sterk in ontwikkeling is, worden tumor-specifieke T cel receptoren of chimere antigen receptoren tot expressie gebracht in T cellen, die vervolgens aan de patient worden toegediend. Uit proeven in muizen is gebleken dat dergelijke T cellen er toch vaak niet in slagen om tumoren op te ruimen. Verschillende mechanismen kunnen de T cellen namelijk onderdrukken in de tumor. Deze mechanismen kunnen van buitenaf op de T cellen werken (tolerogene T cellen, MDSC, metabole factoren), maar er blijkt ook een T cel-intrinsiek genetisch programma (soms “uitputting” genoemd) te bestaan dat de activiteit van T cellen in tumoren onderdrukt. Door genetische modificatie, waarbij bijvoorbeeld bepaalde transcriptiefactoren worden uitgeschakeld, of metabole enzymen verhoogd tot expressie worden gebracht, kan spectaculaire verbetering van ACT tegen tumoren worden bewerkstelligd in muizen. Of dezelfde factoren ook in humane T cellen zouden werken is niet bekend.

Oplossing

Voor klinische implementatie van nieuwe inzichten in de werking van het immuunsysteem willen wij onderzoeken of de betrokken processen en mediatoren, die gevonden zijn in muizen, dezelfde rol hebben in humane T cellen. Daarnaast zijn er mogelijk factoren, die van belang zijn in humane-, maar niet in muizen- T cel responsen. Hier ontwikkelen wij een systeem waarin humane T cellen kunnen worden bestudeerd in de tumor omgeving, waarin bovendien de metabole omstandigheden en de cellulaire complexiteit van echte tumoren worden benaderd. In eerdere gehumaniseerde modellen kwamen belangrijke immuunceltypes niet (goed) tot ontwikkeling, hetgeen de waarde van deze modellen verminderde. Door genetische modificaties, waarbij diverse humane immuunrespons-genen zijn ingebracht in het muizengenoom, is een sterk verbeterd model beschikbaar gekomen. In deze zogenaamde MISTRG muizen komen naast lymfocyten ook andere belangrijke cellen, zoals dendritische cellen, macrofagen en NK cellen tot ontwikkeling. Preliminaire studies laten zien dat tumoren, die in deze muizen worden geimplanteerd, bloedvaten vormen en veel groter groeien dan in traditionele gehumaniseerde muizenmodellen. Bovendien laten onze resultaten zien dat dergelijke tumoren geinfiltreerd worden door een divers scala aan immuuncellen, waaronder verschillende typen DC, macrofagen, NK, B, en T cellen. T cellen in deze muizen geven blijk van herkenning van de tumor, maar stoten deze niet af. Dit wordt waarschijnlijk verklaard door de aanwezigheid van tolerogene cellen, zoals regulatoire T cellen en type 2 macrofagen, en doordat de T cellen kenmerkende verschijnselen van “uitputting” vertonen. Zo brengen deze cellen inhibitoire receptoren (PD1, Tim3, Lag3, CD39) tot expressie alsmede transcriptiefactoren (zoals Tox, NR4A, TCF1), die het genetische uitputtingsprogramma reguleren. De cellulaire samenstelling van het immuuncelinfiltraat, het fenotype van de T cellen en hun expressie van regulatoren van het uitputtingsprogramma lijken sterk op die gevonden in primaire tumoren van patienten. Deze resultaten suggereren dus dat dit model geschikt is om humane T cel responsen in solide tumoren te bestuderen en met name de genetische aansturing van het uitputtingsproces. 

Studieopzet

Het primaire doel van dit pilot project is om vast te stellen of tumoren in gehumaniseerde MISTRG muizen kunnen worden gebruikt om twee vormen van ACT te verbeteren voor de behandeling van Non-Small Cell Lung Carcinoma en melanoma. Ten eerste zal getest worden of TILs kunnen worden opgekweekt uit tumoren van deze muizen met behulp van het klinisch gebruikte protocol. Met dergelijke TILs zullen dan nieuwe muizen worden behandeld. Daarnaast zullen T cellen worden gebruikt, die door gen-transfer T cel receptoren tot expressie brengen, gericht tegen specifieke antigenen uit de tumoren. Onderzocht zal worden hoe deze ACT de tumorgroei beinvloedt, wat de consequenties zijn op het immuuninfiltraat en of de geinfuseerde T cellen het karakteristieke genetische uitputtingsprogramma activeren, zoals gesuggereerd door onze preliminaire resultaten. Uiteindelijk beogen wij om met deze modellen verschillende behandelingsmodaliteiten te testen voor de verbetering van TIL therapie. Daarnaast beogen wij om genetische modificaties te ontwikkelen waarmee T cel ACT kan worden verbeterd (door expressie van remmers van het uitputtingsproces of van enzymen, die de T cellen beter in staat stellen om te functioneren in de metabole tumor-omgeving). Tenslotte zullen wij de modellen beschikbaar maken voor andere onderzoekers, die immuun-therapieen willen verbeteren.