Arbeitsgruppe Zelluläre Tumorimmuntherapie

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1 Arbeitsgruppe Zelluläre Tumorimmuntherapie PD Dr. med. Claudia Rössig Dr. rer. nat. Silke Landmeier, Biologin Dr. rer. nat. Bianca Altvater, Biologin MSc. Sareetha Kailayangiri, Doktorandin Sibylle Pscherer, MTA Jutta Meltzer, MTA Nicole Farwick, MTA Ilka Neumann, MTA Andrea Lücke, MTA Dr. med. Christiane Chen, Ärztin Dr. med. Martina Ahlmann, Ärztin Adoptive zelluläre Immuntherapien maligner Tumoren stellen eine vielversprechende Ergänzung zu etablierten Behandlungskonzepten dar. Eine Variante dieser Zelltherapien ist die Gabe autologer T-Lymphozyten, die durch genetische Modifikation mit tumorspezifischen chimären T-Zell-Rezeptoren ausgestattet sind (Abb. 1). Zytotoxische T-Lymphozyten können durch genetisches Engineering mit einer Spezifität für Tumorantigene versehen werden. Dazu werden die Antigenerkennungsdomänen eines tumorspezifischen Antikörpers mit der signaltransduzierenden ζ-untereinheit des T-Zell-Rezeptors verbunden. Die rekombinanten chimären Rezeptoren werden dann per retroviralem Gentransfer in humanen T-Lymphozyten zur Expression gebracht. Da die Antigenspezifität dieser Zellen durch die Erkennungsdomäne eines monoklonalen Antikörpers definiert ist, erfolgt die Interaktion mit der Tumorzelle unabhängig von Mechanismen der Antigenpräsentation. Immunresistenz von Tumoren wird auf diese Weise primär umgangen. Die Projekte unserer Arbeitsgruppe konzentrieren sich darauf, neue Tumorantigene zu identifizieren, die Therapie mit chimären T-Zell-Rezeptoren zu optimieren und in klinische Anwendungen zu übersetzen, und geeignete Effektorzellen für eine adoptive Immuntherapie zu identifizieren. 1) Zelluläre Immuntherapie akuter lymphoblastischer Leukämien mit CD19- spezifischen chimären T-Zellen Lymphoblastische Leukämien (B-Vorläufer-ALL) im Kindesalter sind aufgrund ihrer Abstammung von unreifen B-Zellen durch hohe Expression von CD19 gekennzeichnet. Die fehlende Expression von CD19 auf normalen hämatopoietischen Stammzellen erlaubt eine gezielte Erkennung leukämischer Blasten. In einem aktuellen Projekt werden zytotoxische T- Lymphozyten durch genetisches Engineering mit Spezifität für CD19 versehen. Dazu werden die Antigenerkennungsdomänen eines CD19-spezifischen Antikörpers mit der signaltransduzierenden ζ-untereinheit des T-Zell-Rezeptors verbunden und in humanen T- Lymphozyten zur Expression gebracht. Die genetisch modifizierten T-Zellen sind spezifisch aktivierbar durch Interaktion mit CD19-exprimierenden Leukämiezellen und zeigen eine effektive funktionelle Immunantwort. Von entscheidender Bedeutung für die klinische Etablierung einer CD19-spezifischen Immuntherapie ist die Frage, ob der leukämische Klon in vivo mit zytotoxischen T-Zellen vollständig eliminiert werden kann. Wir untersuchen daher zur Zeit in Kooperation mit Professor Josef Vormoor, Newcastle, UK, die Effektivität CD19-spezifischer zellulärer Immuntherapie gegenüber humanen B-Vorläufer-ALL-Zellen in einem Mausmodell. 2) Zelluläre Immuntherapie solider Tumoren des Kindesalters Die Heilungsraten fortgeschrittener solider Tumoren des Kindesalters, wie Neuroblastome, Rhabdomyosarkome und Ewing-Sarkome, konnten trotz Optimierung vorhandener Therapieverfahren in den vergangenen Jahren nicht ausreichend verbessert werden. Immunologische Verfahren stellen alternative Ansätze dar, Kontrolle über diese 1

2 Erkrankungen zu erreichen. Bisher konnten für solide maligne Tumoren des Kindesalters nur wenige potenziell geeignete Zielstrukturen identifiziert werden. Eine Ausnahme stellt das Neuroblastom dar, das aufgrund seines neuroektodermalen Ursprungs durch eine hohe Oberflächenexpression des Gangliosids G D2 gekennzeichnet ist. G D2 -spezifische chimäre Rezeptoren wurden bereits erfolgreich dazu verwendet, humane T-Zellen mit funktioneller Spezifität für Neuroblastomzellen auszustatten. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Alexander Marx in Heidelberg wurden die antigenbindenden Anteile eines Antikörpers für das Immuntargeting von Rhabdomyosarkomen verwendet. Dieser Antikörper erkennt den fetalen Acetylcholinrezeptor, der neben Rhabdomyosarkomen ausschließlich auf fetalem und regenerierendem Muskelgewebe exprimiert wird. Acetylcholinrezeptor-spezifische chimäre Rezeptoren konnten kloniert und durch Gentransfer auf humane T-Zellen übertragen werden. Die genetisch modifizierten Zellen haben sich als geeignete Effektoren einer spezifischen Tumorzelllyse in vitro erwiesen. Zur Zeit arbeiten wir an einer Ausweitung der Strategie auf weitere Tumorentitäten. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Frau Priv.-Doz. Dr. Uta Dirksen steht der Ewing-spezifische Antikörper ETAA16 zur Verfügung, dessen antigenbindende Domäne für die Generierung eines ETAA16-spezifischen chimären Rezeptors verwendet werden kann. 3) Zelluläre Immuntherapie mit virus-spezifischen T-Zellen Als Haupthindernis für die klinische Wirksamkeit zellulärer Therapieverfahren hat sich die begrenzte Persistenz der Zellen im Körper des Patienten erwiesen. Ein Lösungsansatz unserer Arbeitsgruppe für dieses Problem beruht auf der Verwendung doppelt-spezifischer T-Zellen mit natürlicher Spezifität für ein starkes, latent persistierendes virales Antigen, z.b. Epstein-Barr Virus (EBV) oder Varizella-Zoster-Virus. So erfährt z.b. eine EBV-spezifische T- Zelle durch Begegnungen mit EBV-infizierten Zellen immer wieder einen starken Aktivierungsreiz über den T-Zell-Rezeptor, der in der erneuten Expansion der T-Zelle mündet. Ist diese T-Zelle durch genetische Modifikation mit einem tumorspezifischen chimären Rezeptor ausgestattet, wird die Zelle in dem über das Virusantigen induzierten Aktivierungszustand auch die Tumorzelle wieder erkennen und lysieren (Abb. 2). 4) Induktion von Antitumorimmunität durch Optimierung der Antigenpräsentation Tumorzellen weisen zahlreiche Defizite der Antigenpräsentation auf. Deshalb werden für die klinische Etablierung zellulärer Immuntherapien professionelle Antigen-präsentierende Zellen (APC) benötigt, die die Expansion klinisch relevanter Mengen tumorspezifischer zytotoxischer αβ T-Zellen erlauben. Dendritische Zellen sind die potentesten derzeit verfügbaren APC. Ihre funktionelle Heterogenität, begrenzte Verfügbarkeit und aufwändige Expansion stehen jedoch einem erfolgreichen therapeutischen Einsatz entgegen. Ein wesentlicher Forschungsinhalt in der Tumorimmuntherapie ist daher die Identifizierung alternativer Zellen mit APC-Funktion. Obwohl γδ T-Zellen einen geringen Anteil der im Blut zirkulierenden Lymphozyten darstellen, besitzen sie potente Effektorfunktionen gegen mikrobielle Pathogene. γδ T-Zellen erkennen Antigene unabhängig von einer Peptidpräsentation auf MHC (Abb. 3). Mit einer medikamentösen Wirkstoffgruppe, die bei der Behandlung knochenresorbierender Erkrankungen eingesetzt wird, den sogenannten Bisphosphonaten, können sie gezielt aktiviert werden. Weitere Untersuchungen weisen darüber hinaus auf antigenpräsentierende Eigenschaften dieser Zellpopulation hin. So können aktivierte γδ T-Zellen primäre αβ T-Zell- Antworten gegenüber allogenen und mikrobiellen Antigenen induzieren. In einem aktuellen Projekt untersuchen wir, ob die immunstimulatorischen Eigenschaften aktivierter γδ T-Zellen eine effiziente Präsentation viraler und tumorassoziierter Peptide ermöglichen und daher für die Generierung therapeutischer αβ T-Zellen eingesetzt werden können. Unter Verwendung von Epstein Barr-Virus-assoziierten Peptiden konnten wir zeigen, dass γδ T-Zellen Epitop-spezifische αβ T-Zell-Antworten induzieren und 2

3 aufrechterhalten können. In weiteren Experimenten werden γδ T-Zellen für die Expansion tumorspezifischer T-Zellen eingesetzt. Dabei wird das Leukämie-assoziierte Antigen PRAME als Modellantigen verwendet. Optimalerweise sollen die antigenpräsentierenden γδ-t-zellen für die Entwicklung innovativer Vakzinierungsstrategien verwendet werden. Perspektive Aktuelle klinische Daten zelltherapeutischer Studien weisen in die Richtung, dass nicht ein Einzelansatz zum Erfolg führen wird, sondern die Kombination mehrerer immuntherapeutischer Strategien miteinander und mit etablierten oder modernen Verfahren (beispielhaft dargestellt in Abb. 4). Ein wesentlicher Beitrag einer Zelltherapie zur Remissionserhaltung kann nur dann erwartet werden, wenn die Tumorlast zuvor durch eine konventionelle Chemotherapie und/oder Lokaltherapie auf das Niveau minimaler Resterkrankung reduziert worden ist. Darüber hinaus muss in das immunsupprimierende Milieu eingegriffen werden, das maßgeblich durch regulatorische T-Zellen mitverursacht wird. Angestrebt wird eine langfristige Immunkontrolle über den bösartigen Zellklon, die gegebenenfalls durch Verabreichung einer Tumorvakzine analog zu den Auffrischimpfungen bei Infektionserkrankungen wieder gezielt verstärkt werden kann. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist, inwieweit neue molekulare Therapieverfahren, die in tumorspezifische Signaltransduktionswege eingreifen, sinnvoll mit immunologischen Therapieansätzen kombiniert werden können. Aktuell planen wir eine erste klinische Umsetzung der CD19-spezifischen Immuntherapie bei Hochrisikoformen der akuten lymphoblastischen Leukämie. Im Rahmen einer klinischen Phase I Studie wird die Anwendbarkeit der modifizierten T-Zellen zur Behandlung von minimaler Resterkrankung im Anschluss an eine Stammzelltransplantation untersucht werden. Mit dem Ziel, durch immunvermittelte Eliminierung verbleibender CD19-positiver leukämischer Blasten langfristige Kontrolle über die Erkrankung zu erreichen, werden T- Lymphozyten des Knochenmarkspenders mit den chimären Rezeptorgenen ausgestattet und dem Patienten zurückgegeben. Die Studie wird als europäisches Netzwerkprojekt im Rahmen der Initiative Chimaeric T cells for the treatment of Paediatric Cancers - CHILDHOPE ( unter Beteiligung von Zentren in Frankreich, Italien und Großbritannien durchgeführt werden. 3

4 Abbildungen (auch separat als jpeg files!) Abb. 1. Während die Antigenerkennung über Peptid/MHC-spezifische T-Zellen auf effiziente Antigenpräsentation angewiesen ist, erkennen T-Zellen über chimäre Rezeptoren Oberflächenantigene unabhängig von MHC. Tumorzelle MHC B7 Tumorantigen CD8 + CTL CD8 CD28 Chimärer T-Zell-Rezeptor Signal Signal Abb. 2. Doppelt-spezifische T-Zellen erhalten virusspezifische Reaktivierungssignale über ihren natürlichen T-Zell-Rezeptor und erkennen die Tumorzelle über den rekombinanten T- Zell-Rezeptor. EBV-infizierte Zelle B7 Tumorzelle T-Zelle 4

5 Abb. 3. γδ T-Zellen erkennen Antigene unabhängig vom Major Histokompatibilitätskomplex (MHC) und üben nach Aktivierung potente Effektorfunktionen aus. Vγ2Vδ2 T-Zell-Rezeptor Antigen γδ T-Zelle Abb. 4. Integration immuntherapeutischer Strategien in ein multimodales Behandlungskonzept. Chemotherapie Tumor-Vakzine Stammzelltransplantation Zytokine Depletion T reg Zellen Adoptiver T-Zell-Transfer 5

6 Publikationen (seit 2004) B. Altvater, S. Landmeier, S. Pscherer, J. Temme, K. Schweer, S. Kailayangiri, D. Campana, H. Juergens, M. Pule, C. Rossig. 2B4 (CD244) signaling by recombinant antigen-specific chimeric receptors costimulates natural killer cell activation to leukemia and neuroblastoma cells. Clinical Cancer Research, accepted for publication (2009) B. Altvater, S. Landmeier, S. Pscherer, J. Temme, H. Juergens, M. Pule, C. Rossig. 2B4 (CD244) signaling via chimeric receptors costimulates tumor-antigen specific proliferation and in vitro expansion of human T cells. Cancer Immunol Immunother 2009, in press P. Brinkrolf, S. Landmeier, B. Altvater, C. Chen, S. Pscherer, A. Rosemann, A. Ranft, U. Dirksen, H. Juergens, C. Rossig. A high proportion of bone marrow T cells with regulatory phenotype (CD4+CD25hiFoxP3+) in Ewing sarcoma patients is associated with metastatic disease. Int J Cancer, accepted for publication (2009) S. Landmeier, B. Altvater, S. Pscherer, H. Juergens, L. Varnholt, A. Hansmeier, C. M. Bollard, A. Moosmann, G. Bisping, C. Rossig. Activated human γδ T cells as stimulators of specific CD8+ T cell responses to subdominant Epstein Barr virus (EBV) epitopes: Potential for immunotherapy of cancer. J Immunother 32: , 2009 M. A. Pule, B. Savoldo, G. D. Myers, C. Rossig, H. V. Russell, G. Dotti, M. H. Huls, E. Liu, A. P. Gee, Z. Mei, E. Yvon, H. L. Weiss, C. M. Rooney, H. E. Heslop, M. K. Brenner. Virusspecific T cells engineered to coexpress tumor-specific receptors: persistence and antitumor activity in neuroblastoma patients. Nature Medicine 14: , 2008 S. Landmeier, B. Altvater, S. Pscherer, B. R. Eing, J. Kuehn, C. M. Rooney, H. Juergens, C. Rossig. Gene-engineered Varicella-Zoster-Virus-reactive CD4+ cytotoxic T cells exert tumorspecific effector function. Cancer Res 67: , 2007 J. Vera, B. Savoldo, S. Vigouroux, E. Biagi, M. Pule, C. Rossig, J. Wu, H. Heslop, C. Rooney, M. K. Brenner, G. Dotti. T-lymphocytes redirected against the kappa light chain of human immunoglobulin efficiently kill mature B-lymphocyte derived malignant cells. Blood 108: , 2006 Loskog, V. Giandomenico, C. Rossig, M. Pule, G. Dotti, M.K. Brenner. Addition of the CD28 signaling domain to chimeric T cell receptors enhances chimeric T cell resistance to T regulatory cells. Leukemia 20: , 2006 Altvater, S. Pscherer, S. Landmeier, V. Niggemeier, H. Juergens, J. Vormoor, C. Rossig. CD28 fails to costimulate tumor-specific activation of virus-specific memory effector T cells. Clin Exp Immunol, 144: , 2006 S. Gattenloehner, A. Marx, B. Markfort, S. Pscherer, S. Landmeier, H. Juergens, H.-K. Mueller-Hermelink, I. Matthews, D. Beeson, A. Vincent, C. Rossig. Rhabdomyosarcoma lysis by T cells expressing a human autoantibody-based chimeric receptor targeting the fetal acetylcholine receptor. Cancer Res, 66:24-28, 2006 C. Rossig, A. Baer, S. Pscherer, B. Altvater, M. Pule, C. M. Rooney, M. K. Brenner, H. Juergens, J. Vormoor. Target antigen expression on a professional antigen-presenting cell induces superior proliferative anti-tumor T cell responses via chimeric T cell receptors. J Immunother 29:21-31, 2006 M. Pieper, C. Scheffold, S. Duwe, C. Rossig, G. Bisping, M. Stelljes, T. F. Tedder, H. Jurgens, W. E. Berdel, J. Kienast. Immunotherapy of B-cell malignancies with genetically engineered human CD8+ natural killer T cells. Leukemia 20:729-32, 2006 C. Rossig, S. Pscherer, S. Landmeier, B. Altvater, H. Jürgens, J. Vormoor. Adoptive cellular immunotherapy with CD19-specific T cells. Klin Päd 217: , 2005 M. Rischer, S. Pscherer, S. Duwe, J. Vormoor, H. Jürgens, C. Rossig. Human γδ T cells as mediators of chimeric-receptor redirected antitumor immunity. Br J Haematol 126: ,

7 Aktuelle Projektförderung: European Commission Sixth Framework Programme (FP6) Deutsche Krebshilfe e.v. Dr. Mildred Scheel Stiftung für Krebsforschung Buschstr Bonn Telefon: 02 28/ Telefax: 02 28/ deutsche@krebshilfe.de Deutsche José Carreras Leukämie-Stiftung e.v. Elisabethstraße München Tel. 089 / Fax. 089 / Wilhelm-Sander-Stiftung Goethestraße München Telefon: 089 / Telefax: 089 / info@sanst.de 7

8 Innovative Medizinische Forschung (IMF) im Dekanat der Medizinischen Fakultät der Universität Münster Domagkstraße Münster Tel. +49 (0) Fax. +49 (0)