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Background: On encountering a susceptible target, natural killer (NK) cells mediate cytotoxicity through highly regulated steps of directed degranulation. Cytotoxic granules converge at the microtubule organizing center and are polarized toward the immunological synapse (IS), followed by granule exocytosis. NK cell retargeting by chimeric antigen receptors (CARs) or mAbs represents a promising strategy for overcoming tumor cell resistance. However, little is known about the lytic granule dynamics of such retargeted NK cells toward NK-cell-resistant tumors.
Methods: Here, we used spinning disk confocal microscopy for live-cell imaging to analyze granule-mediated NK cell cytotoxicity in ErbB2-targeted CAR-expressing NK-92 cells (NK-92/5.28.z) and high-affinity FcR transgenic NK-92 cells plus Herceptin toward ErbB2-positive breast cancer cells (MDA-MB-453), which are resistant to parental NK-92.
Results: Unmodified NK-92 cells cocultured with resistant cancer cells showed stable conjugate formation and granule clustering, but failed to polarize granules to the IS. In contrast, retargeting by CAR or FcR+Herceptin toward the MDA-MB-453 cells enabled granule polarization to the IS, resulting in highly effective cytotoxicity. We found that in NK-92 the phosphoinositide 3-kinase pathway was activated after contact with resistant MDA-MB-453, while phospholipase C-γ (PLCγ) and mitogen-activated protein kinase (MEK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) were not activated. In contrast, retargeting by CAR or antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) provided the missing PLCγ and MEK/ERK signals.
Conclusions: These observations suggest that NK cells can create conjugates with resistant cancer cells and respond by granule clustering, but the activation signals are insufficient to induce granule polarization and consequent release of lytic enzymes. Retargeting by CAR and/or the FcR/mAb (ADCC) axis provide the necessary signals, leading to granule polarization and thereby overcoming tumor cell resistance.
The dismal prognosis of pediatric and young adult patients with high-risk rhabdomyosarcoma (RMS) underscores the need for novel treatment options for this patient group. In previous studies, the tumor-associated surface antigen ERBB2 (HER2/neu) was identified as targetable in high-risk RMS. As a proof of concept, in this study, a novel treatment approach against RMS tumors using a genetically modified natural killer (NK)-92 cell line (NK-92/5.28.z) as an off-the-shelf ERBB2-chimeric antigen receptor (CAR)-engineered cell product was preclinically explored. In cytotoxicity assays, NK-92/5.28.z cells specifically recognized and efficiently eliminated RMS cell suspensions, tumor cell monolayers, and 3D tumor spheroids via the ERBB2-CAR even at effector-to-target ratios as low as 1:1. In contrast to unmodified parental NK-92 cells, which failed to lyse RMS cells, NK-92/5.28.z cells proliferated and became further activated through contact with ERBB2-positive tumor cells. Furthermore, high amounts of effector molecules, such as proinflammatory and antitumoral cytokines, were found in cocultures of NK-92/5.28.z cells with tumor cells. Taken together, our data suggest the enormous potential of this approach for improving the immunotherapy of treatment-resistant tumors, revealing the dual role of NK-92/5.28.z cells as CAR-targeted killers and modulators of endogenous adaptive immunity even in the inhibitory tumor microenvironment of high-risk RMS.
Background: Aviscumine, a recombinant plant protein, is an immune modulator that induces ribotoxic stress at the 28S ribosomal RNA subunit. In this way cytokine release and T-cell responses are enhanced. This phase II trial was conducted to test the efficacy and safety of aviscumine in patients with systemically pre-treated metastatic melanoma stage IV.
Methods: A total of 32 patients with progressive stage IV melanoma after failure of standard therapy were enrolled onto a single-arm, multi-centre, open-label, phase II trial. All patients had an ECOG performance status of 0 or 1. Patients received 350 ng aviscumine twice weekly by subcutaneous injection until progression. The primary end points were progression-free survival (PFS) and overall survival (OS). Safety was assessed as adverse events (AEs). Tumor response was assessed every eight weeks and survival of patients was followed up to one year after the end of therapy. Thirty one patients (intent-to-treat population (ITT)) were assessed for efficacy; safety was assessed in the whole population.
Results: One patient achieved a partial response (PR) and 10 patients showed stable disease/no change (SD). The median progression-free survival (mPFS) was 63 days (95% CI 57–85) and median overall survival (mOS) was 335 days (95% CI 210–604). In total 210 treatment-emergent adverse events were recorded. Grade 1 or 2 AEs occurred in 72% of patients and were mostly application-site effects such as pruritus Grade 3–4 treatment-emergent drug-related adverse events occurred in 9% of patients.
Conclusion: These results suggest that aviscumine may have a clinical impact in patients with previously treated metastatic melanoma and provide rationale for further clinical evaluation of this agent. In the light of effective new immune checkpoint blockers it might be a candidate for combinations with these agents.
In jüngster Zeit werden vom humanen Immundefizienzvirus-1-abgeleitete lentivirale Vektoren auch in der Gentherapie eingesetzt. Obwohl diese Vektoren nicht-mitotische Zellen transduzieren können, sind sie für einen Gentransfer in primäre ruhende Zellen oft nicht geeignet. In der Abteilung „Medizinische Biotechnologie“ des Paul-Ehrlich-Insituts wurde ein vom simianen Immundefizienzvirus SIVsmmPBj-abgeleiteter lentiviraler Vektor entwickelt, welcher im Gegensatz zu HIV-1-abgeleiteten Vektoren effizient in der G0-Phase des Zellzyklus arretierte humane Fibroblasten und humane primäre Monozyten transduzieren kann (Mühlebach et al., 2005). Im dieser Arbeit wurde das Potenzial dieses neuen Vektors für mögliche Anwendungen in der Gentherapie untersucht, indem seine Transduktionsfähigkeit für weitere primäre Zellen bestimmt wurde. Dabei waren humane hämatopoetische Stammzellen von besonderem Interesse, da sie die Vorläuferzellen aller Zellen des Blutes sind und die Eigenschaft zur Selbsterneuerung besitzen. Die Effizienz des Gentransfers in unstimulierten Stammzellen mit dem SIVsmmPBj-Vektor war jedoch nicht höher als mit anderen lentiviralen Vektoren. Interessanterweise konnte aber ein Einfluss der lentiviralen Vektoren auf das in vitro-Differenzierungspotenzial der transduzierten Stammzellen in die verschiedenen Vorläuferzellen beobachtet werden: Nach Transduktion mit dem SIVsmmPBj- und einem HIV-2-abgeleiteten Vektor differenzierten die Stammzellen bevorzugt in granulozytäre Vorläuferzellen, während die Transduktion mit einem HIV-1-abgeleiteten Vektor die Anzahl aller Vorläuferzellen deutlich reduzierte und insbesonders die Differenzierung in Makrophagenvorläuferzellen verminderte. Zur Untersuchung ihres Differenzierungs-potenzials in vivo wurden transduzierte hämatopoetische Stammzellen zur Repopulierung des Knochenmarks von NOD/SCID-Mäusen eingesetzt. Hierbei wurde jedoch kein Einfluss der verschiedenen lentiviralen Vektoren auf die Differenzierung der Stammzellen beobachtet. Allerdings konnte nur in einem sehr geringen Anteil der transplantierten Zellen eine Expression des übertragenen Gens nachgewiesen werden, so dass nicht ausgeschlossen werden kann, dass die transduzierten Zellen die Fähigkeit zur Repopulierung verloren hatten. Insgesamt ist jedoch zu sagen, dass entgegen der Erwartungen der neue Vektor keinen Vorteil gegenüber HIV-1-Vektoren zur Transduktion von hämatopoetischen Stammzellen aufweist. Weiter wurde die Transduktionsfähigkeit des SIVsmmPBj-Vekors für humanen B-Lymphozyten, Makrophagen und dendritische Zellen untersucht. Auf ruhenden B-Lymphozyten besaß der SIVsmmPBj-Vektor keinen Transduktionsvorteil gegenüber einem HIV-1-abgeleiteten Vektor, während Makrophagen und dendritische Zellen mit signifikant höherer Effizienz transduziert werden konnten. Die hohe Transduktionseffizienz des SIVsmmPBj-Vektors für Monozyten und dendritische Zellen eröffnet die Möglichkeit einer Anwendung in der Immuntherapie, da dendritische Zellen die professionellsten und effektivsten Antigen-präsentierenden Zellen sind. Daher wurde die generelle Eignung des SIVsmmPBj-Vektors für immuntherapeutische Anwendungen untersucht. Ein Tumor-assoziiertes Antigen (Mart-1) wurde in Monozyten übertragen und die transduzierten Zellen zu reifen dendritischen Zellen maturiert. Diese Zellen besaßen die Fähigkeit, Antigen-spezifische zytotoxische T-Zellen zu generieren, deren Funktion durch Sekretion von Zytokinen, in Einzelfällen auch durch spezifische Lyse von Mart-exprimierenden Tumorzellen nachgewiesen wurde. Weiterhin wurde gezeigt, dass nach Transduktion von Monozyten und deren Differenzierung zu Makrophagen auch diese prinzipiell in der Lage sind, Antigen-spezifische zytotoxische T-Zellen zu generieren. Obwohl hier keine vergleichenden Untersuchungen zur Effizienz des T-Zell-Primings durchgeführt werden konnten, ist die prinzipielle Eignung des SIVsmmPBj-abgeleiteten Vektors für eine Immuntherapie damit nachgewiesen. Schließlich wurde untersucht, ob die Maus oder nicht-menschliche Primaten als Tiermodelle für eine mögliche Weiterentwicklung des Vektors in Frage kommen. Murine Monozyten konnten jedoch nicht effizient transduziert werden. Hingegen erwies sich der SIVsmmPBj-Vektor als gut geeignet zur Transduktion von simianen Monozyten, so dass ein Affenmodell für Anwendungen des SIVsmmPBj-Vektors, wie beispielsweise zur Tumor-Immuntherapie oder für Vakzinierungsstudien, in Frage kommt.