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Chimeric Antigen Receptor Library Screening Using a Novel NF-kappa B/NFAT Reporter Cell Platform
(2019)
Chimeric antigen receptor (CAR)-T cell immunotherapy is under intense preclinical and clinical investigation, and it involves a rapidly increasing portfolio of novel target antigens and CAR designs. We established a platform that enables rapid and high-throughput CAR-screening campaigns with reporter cells derived from the T cell lymphoma line Jurkat. Reporter cells were equipped with nuclear factor kappa B (NF kappa B) and nuclear factor of activated T cells (NFAT) reporter genes that generate a duplex output of enhanced CFP (ECFP) and EGFP, respectively. As a proof of concept, we modified reporter cells with CD19-specific and ROR1-specific CARs, and we detected high-level reporter signals that allowed distinguishing functional from non-functional CAR constructs. The reporter data were highly reproducible, and the time required for completing each testing campaign was substantially shorter with reporter cells (6 days) compared to primary CAR-T cells (21 days). We challenged the reporter platform to a large-scale screening campaign on a ROR1-CAR library, and we showed that reporter cells retrieved a functional CAR variant that was present with a frequency of only 6 in 1.05 x 10(6). The data illustrate the potential to implement this reporter platform into the preclinical development path of novel CAR-T cell products and to inform and accelerate the selection of lead CAR candidates for clinical translation.
One promising approach to treat hematologic malignancies is the usage of patient‐derived CAR T cells. There are continuous efforts to improve the function of these cells, to optimize their receptor, and to use them for the treatment of additional types of cancer and especially solid tumors. In this protocol, an easy and reliable approach for CAR T cell generation is described. T cells are first isolated from peripheral blood (here: leukoreduction system chambers) and afterwards activated for one day with anti‐CD3/CD28 Dynabeads. The gene transfer is performed by lentiviral transduction and gene transfer rate can be verified by flowcytometric analysis. Six days after transduction, the stimulatory Dynabeads are removed. T cells are cultured in interleukin‐2 conditioned medium for several days for expansion. There is an option to expand CAR T cells further by co‐incubation with irradiated, antigen‐expressing feeder cell lines. The CAR T cells are ready to use after 10 (without feeder cell expansion) to 24 days (with feeder cell expansion).
While glioblastoma (GBM) is still challenging to treat, novel immunotherapeutic approaches have shown promising effects in preclinical settings. However, their clinical breakthrough is hampered by complex interactions of GBM with the tumor microenvironment (TME). Here, we present an analysis of TME composition in a patient-derived organoid model (PDO) as well as in organotypic slice cultures (OSC). To obtain a more realistic model for immunotherapeutic testing, we introduce an enhanced PDO model. We manufactured PDOs and OSCs from fresh tissue of GBM patients and analyzed the TME. Enhanced PDOs (ePDOs) were obtained via co-culture with PBMCs (peripheral blood mononuclear cells) and compared to normal PDOs (nPDOs) and PT (primary tissue). At first, we showed that TME was not sustained in PDOs after a short time of culture. In contrast, TME was largely maintained in OSCs. Unfortunately, OSCs can only be cultured for up to 9 days. Thus, we enhanced the TME in PDOs by co-culturing PDOs and PBMCs from healthy donors. These cellular TME patterns could be preserved until day 21. The ePDO approach could mirror the interaction of GBM, TME and immunotherapeutic agents and may consequently represent a realistic model for individual immunotherapeutic drug testing in the future.
Immunotherapy with chimeric antigen receptor-engineered T-cells (CAR-T) is under investigation in multiple myeloma. There are reports of myeloma remission after CD19 CAR-T therapy, although CD19 is hardly detectable on myeloma cells by flow cytometry (FC). We apply single molecule-sensitive direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM), and demonstrate CD19 expression on a fraction of myeloma cells (10.3–80%) in 10 out of 14 patients (density: 13–5,000 molecules per cell). In contrast, FC detects CD19 in only 2 of these 10 patients, on a smaller fraction of cells. Treatment with CD19 CAR-T in vitro results in elimination of CD19-positive myeloma cells, including those with <100 CD19 molecules per cell. Similar data are obtained by dSTORM analyses of CD20 expression on myeloma cells and CD20 CAR-T. These data establish a sensitivity threshold for CAR-T and illustrate how super-resolution microscopy can guide patient selection in immunotherapy to exploit ultra-low density antigens.
Kinasen der SRC-Familie (SFKs) sind sowohl in Wachstum und Metastasierung von Tumor- und Leukämiezellen als auch an prominenter Stelle in vielgestaltige Signalwege aller Immunzellen involviert. Eine Hemmung von SFKs ist damit ein vielversprechendes Mittel zur Therapie maligner Erkrankungen, kann aber darüber hinaus auch sehr effektiv zur Immunmodulation genutzt werden. Für den zur Therapie von CML und AML zugelassenen Tyrosinkinaseinhibitor (TKI) Dasatinib (Handelsname Sprycel®), für den unter anderem SFKs die Hauptziele darstellen, wurden, neben der antitumoralen Wirkung, sowohl immunsuppressive als auch immunstimulierende Effekte beschrieben. Aus diesem Grund könnte Dasatinib ein für die Modulation von Immunantworten sehr interessantes Hilfsmittel darstellen. In der vorliegenden Arbeit werden die hemmenden und fördernden Einflüsse von Dasatinib auf zwei Typen von Immunzellen genauer untersucht, um so die Auswirkungen einer Dasatinib-Behandlung auf Zellen des Immunsystems besser zu verstehen und sich das immunmodulatorische Potenzial von Dasatinib besser nutzbar machen zu können.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung möglicher kombinatorischer Effekte zwischen Dasatinib und dem Glucocorticoid Dexamethason auf verschiedene Subsets von T-Zellen vor dem Hintergrund eines potentiellen Einsatzes der Kombination bei der allogenen Hämatopoetischen Stammzelltransplantation (HSCT) zur Separation von Graft-versus-Leukemia (GvL)-Effekten und der Graft-versus-host Disease (GvHD). Während keine kombinatorischen Effekte bei der Aktivierung von T-Zellen auftraten, ergaben sich bei der Untersuchung des Einflusses auf die Proliferation besonders in CD8+ T-Zellen additive Effekte durch die Kombination. Die Proliferation naiver T-Zell-Subsets wurde bereits durch die beiden Einzelsubstanzen alleine stark gehemmt. Dagegen waren Memory T-Zell-Subsets deutlich unempfindlicher, allerdings konnte durch eine Kombination von Dexamethason und Dasatinib auch die Proliferation dieser Memory Subsets effektiv gehemmt werden. Hierbei zeigten sich bei CD8+ Memory Subsets die deutlichsten synergistischen Effekte. Da eine Kombination in stärkerem Maße auch CD8+ gegenüber CD4+ Memory Subsets hemmt und diese Subsets unterschiedliche Rollen in der Induktion von GvL-Effekten und der Auslösung einer GvHD zu spielen scheinen, ist eine Steigerung der GvL-Effektivität durch die Medikamenten-Kombination bei gleichzeitiger Minimierung eines GvHD-Risikos in Zusammenhang mit anderen publizierten Ergebnissen durchaus denkbar. Weil eine starke Hemmung von virus-spezifischen T-Zellen nur bei sehr hohen Konzentrationen auftrat, ist zudem das Risiko einer Virus-Reaktivierung, die ein großes Problem bei einer HSCT darstellt, eher als gering einzuschätzen.
Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Dasatinib auf aus Monozyten generierte Dendritische Zellen (moDCs) mit einem Fokus auf der Beeinflussung ihrer Migration. Während eine Behandlung mit Dasatinib nur sehr geringe Auswirkungen auf die Ausreifung der moDCs und die Expression von kostimulatorischen Molekülen hatte, führte eine Dasatinib-Behandlung zu einer Zeit- und Dosis-abhängigen Verringerung der Zytokinsekretion (IL-10 und IL-12). Im Gegensatz dazu hatte Dasatinib keinen Einfluss auf die phagozytotische Aktivität der moDCs und auf ihre Fähigkeit, Virus-spezifische T-Zell-Antworten auszulösen. Dasatinib zeigte dagegen einen deutlich steigernden Einfluss auf die Migration von moDCs gegen einen CCL19-Gradienten im Transwell-Assay, ohne die Expression des CCL19-Rezeptors CCR7 zu beeinflussen. Da ähnliche Migrations-steigernde Effekte auch bei einer Behandlung mit dem spezifischen SFK-Inhibitor SKI-1 auftraten, eine Behandlung mit Nilotinib, einem TKI der nicht auf SFKs wirkt, im Gegensatz dazu aber zu einer Hemmung der Migration führte, liegt es nahe dass die Migrations-steigernde Wirkung von Dasatinib über SFKs vermittelt wird. Dasatinib führte zu einer deutlichen Inhibierung der Phosphorylierung der inhibitorischen Immunrezeptoren Siglec-9 und Siglec-3 (CD33) ohne ihre Expressionslevel zu beeinflussen. Eine mit spezifischen Antikörpern durchgeführte Blockierung dieser Immunrezeptoren, deren ITIM-Domänen mutmaßlich von SFKs phosphoryliert werden, hatte eine deutliche Steigerung der Migration und eine verringerte Phosphorylierung von Siglec-9, Siglec-3 und SHP-2 zur Folge. Letztere ist eine Phosphatase, die nach Bindung an phosphorylierte ITIM-Domänen von Rezeptoren wie den Siglecs verschiedene Zielmoleküle dephosphoryliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Migrations-steigernde Wirkung von Dasatinib über eine Hemmung von SFKs und daraus resultierend auf dem Wegfall eines inhibitorischen Signalwegs erfolgt. Diese Steigerung der Migration könnte in der Tumor-Therapie von großem Nutzen sein, da bei einer Vakzinierung mit autologen DCs, die mit Tumor-assoziierten Antigenen stimuliert wurden, die schlechte Einwanderung in die Lymphknoten eines der Hauptprobleme darstellt. Zur Überwindung dieses Problems könnte Dasatinib ein sehr effektives Hilfsmittel darstellen und die Therapie-Effizienz deutlich verbessern. Da Dasatinib aber auch eine ganze Reihe weiterer, sehr vielfältiger Einflüsse auf alle Arten von Immunzellen ausübt, scheint eine Verwendung spezifischer blockierender α-Siglec-Antikörper auf Grund geringerer Nebenwirkungen im Vergleich zu Dasatinib möglicherweise sogar noch deutlich besser geeignet zu sein, das Migrationsverhaltens Dendritischer Zellen positiv zu beeinflussen. Die Verwendung gegen Siglec-Rezeptoren gerichteter Antikörper als Adjuvantien könnte somit zu einem erfolgreicheren Einsatz der Vakzination mit Dendritischen Zellen in der Tumor-Therapie führen.
Emerging data demonstrate that the activity of immune cells can be modulated by microbial molecules. Here, we show that the short-chain fatty acids (SCFAs) pentanoate and butyrate enhance the anti-tumor activity of cytotoxic T lymphocytes (CTLs) and chimeric antigen receptor (CAR) T cells through metabolic and epigenetic reprograming. We show that in vitro treatment of CTLs and CAR T cells with pentanoate and butyrate increases the function of mTOR as a central cellular metabolic sensor, and inhibits class I histone deacetylase activity. This reprogramming results in elevated production of effector molecules such as CD25, IFN-γ and TNF-α, and significantly enhances the anti-tumor activity of antigen-specific CTLs and ROR1-targeting CAR T cells in syngeneic murine melanoma and pancreatic cancer models. Our data shed light onto microbial molecules that may be used for enhancing cellular anti-tumor immunity. Collectively, we identify pentanoate and butyrate as two SCFAs with therapeutic utility in the context of cellular cancer immunotherapy.