Universität zu Köln

Thelen, Martin Andreas ORCID: 0000-0002-2785-9726 (2023). Endogenous antigen-specific T and B cell immune responses in cancer and invasive infections are frequent, but often limited by potentially targetable immune escape mechanisms. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Immunotherapy has become an additional therapeutic pillar for various cancer types. Since many immunotherapies target the immune system rather than the tumor cell itself, comprehensive data on cells involved in the complex and reciprocal host-tumor interactions are needed to decipher therapy response and therapy resistance. This includes a detailed understanding of phenotypes, activation and differentiation of local/infiltrating and circulating lymphocytes. In publications included in this thesis, we performed detailed characterizations of lymphocytes in cancer and invasive infections. We observed only minor differences in lymphocyte composition, differentiation, and maturation between peripheral lymphocytes of healthy individuals and patients with solid cancer. In contrast, the analyzed blood samples from Hodgkin lymphoma (HL) patients and patients with invasive mycosis were distinct compared to healthy controls. Immune checkpoint blockade (ICB) demonstrated remarkable efficacy in several types of cancer. Monoclonal antibodies targeting the programmed cell death protein 1 (PD-1) have been included in treatment regimens of esophagogastric adenocarcinoma (EGA). Despite the remarkable benefit for a subset of patients, more than 70% of patients do not benefit from anti-PD-1 monotherapy and mechanisms underlying primary or secondary resistance to immunotherapy are poorly understood. The target molecules of anti-PD-1 and other immune checkpoint inhibitors are part of a multitude of immune-regulatory molecules involved in the complex balancing of naturally occurring immune responses but also in immune evasion of cancer. A common goal of several publications included in this thesis was to elucidate the cellular distribution and patterns of co-expression of co-inhibitory molecules in cancer and infection. While only a minor fraction of co-regulatory molecules was differentially expressed in circulating lymphocytes of cancer patients compared to healthy controls, we observed cancer-type-, patient-, but also lymphocyte-specific expression patterns in tumor-infiltrating lymphocytes (TILs). Furthermore, we detected co-regulation of these molecules. Similar to results for TILs in solid cancer, we detected highly increased expression of multiple co-regulatory molecules on circulating lymphocytes of invasive candidiasis patients and HL patients. In vitro data from invasive candidiasis and translational results from a clinical trial in HL demonstrate improved T-cell activity upon anti-PD-1 therapy as promising strategy in these diseases. In addition to immunosuppression by co-inhibitory molecules, loss of target antigens or defects in the antigen-presenting machinery (APM) are important mechanisms of immune escape. Presentation of tumor-antigens to cytotoxic T cells is essential for anti-tumor immune responses. We investigated the RNA expression of genes of the APM and detected an overall increased expression of these genes in tumor samples of EGA patients. We noticed a correlation of increased expression of APM genes with increased T-cell infiltration and expression of tumor-associated antigens (TAAs), suggesting a crucial role of the APM for the immunogenicity of cancer. Importantly, we also observed impaired expression of one or multiple of these genes in a large fraction of patients, most likely representing APM-mediated immune escape. Next to defective antigen presentation, expression of the target gene may also be altered. Data included in this thesis integrates gene expression with cellular- and humoral immune responses against TAAs and immunotherapy-related changes of these responses. We found that endogenous responses to TAAs are common in EGA, but co-occurrence of expression with cellular and/or humoral immune response against the same TAA is rare. We used autologous CD40-activated B cells (CD40Bs) pulsed with peptide pools of TAAs to demonstrate antigen-specific expansion of T-cell clones and their antigen-specific cytotoxicity in vitro. Furthermore, we show that simultaneous expansion with pools of multiple TAA peptides is feasible, which makes CD40Bs an interesting tool for antigen-specific T-cell expansion. However, additional treatments may be needed as the observed high frequency of endogenous cellular and humoral immune response suggests antigen escape rather than missing endogenous immune responses as mechanism underlying immunotherapy resistance in EGA. As the reciprocal shaping of tumor cells and immune response is highly individual and often poorly reflected in preclinical tumor models we established patient-derived xenografts, which are included as unpublished data in this thesis. We aim to humanize these mice with patient-matched PBMCs or bone-marrow to improve our understanding of mechanisms underlying resistance to immunotherapy in patient-derived samples.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Immuntherapien haben sich in den letzten Jahren zu einem Bestandteil der Standardbehandlung vieler Krebsarten entwickelt. Da viele Immuntherapien eher auf gesunde Zellen des Immunsystems als auf die eigentliche Tumorzelle abzielen, sind umfassende Daten über beide Zellgruppen erforderlich, um die komplexen und wechselseitigen Wirt-Tumor-Interaktionen besser zu verstehen, die letztlich Grundlage von Therapieansprechen und Therapieresistenz sind. Dazu gehört ein detailliertes Verständnis der Phänotypen, der Aktivierung und der Differenzierung von infiltrierenden und zirkulierenden Lymphozyten. In den in dieser Arbeit enthaltenen Publikationen haben wir Lymphozyten bei Krebs und invasiven Infektionen detailliert charakterisiert. Wir beobachteten nur geringe Unterschiede in der Zusammensetzung, Differenzierung und Reifung der Lymphozyten zwischen peripheren Lymphozyten von gesunden Personen und von Patienten mit soliden Krebserkrankungen. Im Gegensatz dazu unterschieden sich die untersuchten Blutproben von Patienten mit Hodgkin-Lymphom und Patienten mit invasiver Mykose deutlich von denen gesunder Kontrollen. Die Immun-Checkpoint-Blockade zeigt bei verschiedenen Krebsarten eine bemerkenswerte Effektivität. Monoklonale Antikörper, die auf PD-1 abzielen, wurden auch in die Therapiealgorithmen des Adenokarzinoms des Ösophagus aufgenommen. Trotz des bemerkenswerten Nutzens für einen Teil von Patienten profitieren mehr als 70% der Patienten nicht von einer anti-PD-1-Monotherapie und die Mechanismen, welche der primären oder sekundären Resistenz zugrunde liegen, sind kaum bekannt. Die Zielmoleküle von anti-PD-1 und anderen Immun-Checkpoint-Inhibitoren sind Teil einer Vielzahl von immunregulatorischen Molekülen, die am komplexen Gleichgewicht der natürlich auftretenden Immunreaktionen, aber auch an der Immunevasion von Krebs beteiligt sind. Ein gemeinsames Ziel mehrerer Veröffentlichungen, die Teil dieser Arbeit sind, ist es die zelluläre Verteilung und die Muster der Koexpression koinhibitorischer Moleküle bei Krebs und Infektionen zu beschreiben. Während in zirkulierenden Lymphozyten von Krebspatienten im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen nur ein kleiner Teil der koregulatorischen Moleküle unterschiedlich exprimiert wurde, beobachteten wir in tumorinfiltrierenden Lymphozyten krebstyp-, patienten-, aber auch lymphozytenspezifische Expressionsmuster. Darüber hinaus konnten wir eine Koregulation dieser Moleküle feststellen. Ähnlich wie bei tumorinfiltrierenden Lymphozyten in soliden Krebserkrankungen konnten wir eine stark erhöhte Expression mehrerer koregulatorischer Moleküle in zirkulierenden Lymphozyten von Patienten mit invasiver Candidose und Patienten mit Hodgkin Lymphom feststellen. In vitro Daten zur invasiven Candidose und translationale Ergebnisse aus einer klinischen Studie des Hodgkin Lymphoms zeigen eine verbesserte T-Zell-Aktivität unter anti-PD-1-Therapie, die somit eine vielversprechende Strategie bei diesen Krankheiten darstellt. Neben der Immunsuppression durch koinhibitorische Moleküle sind der Verlust von Zielantigenen oder Defekte in der Antigen-Präsentations-Maschinerie (APM) wichtige Mechanismen der Immunevasion. Die Präsentation von Tumorantigenen für zytotoxische T-Zellen ist für die anti-Tumor-Immunantwort von entscheidender Bedeutung. Wir haben die RNA-Expression von Genen der APM untersucht und stellten eine insgesamt erhöhte Expression dieser Gene in Tumorproben von EGA-Patienten fest. Darüber hinaus konnten wir eine Korrelation zwischen der erhöhten Expression von APM-Genen und einer erhöhten T-Zell-Infiltration sowie Expression von tumorassoziierten Antigenen (TAAs) feststellen, was auf eine entscheidende Rolle der APM bei der Immunogenität von Krebs hinweist. Wichtig ist, dass wir bei einem großen Teil der Patienten auch eine gestörte Expression eines oder mehrerer dieser Gene beobachten konnten, was vermutlich eine APM-vermittelte Immunevasion darstellt. Neben einer gestörten Antigenpräsentation kann auch die Expression des Zielgens verändert sein. Die in dieser Arbeit enthaltenen Daten kombinieren die Genexpression mit den zellulären und humoralen Immunreaktionen gegen TAAs. Zudem untersuchten wir immuntherapiebedingte Veränderungen dieser Reaktionen. Dabei zeigte sich, dass endogene Reaktionen auf TAAs beim ösophagogastralen Adenokarzinom häufig vorkommen, aber dass das gleichzeitige Auftreten von Expression mit zellulären und/oder humoralen Immunreaktionen gegen dieselben TAAs selten ist. Um die antigenspezifische Expansion von T-Zell-Klonen und deren antigenspezifische Zytotoxizität in vitro nachzuweisen, haben wir autologe CD40-aktivierte B-Zellen (CD40Bs) verwendet, die mit Peptidpools von TAAs beladen wurden. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass eine gleichzeitige Expansion mit Pools von mehreren TAA-Peptiden möglich ist, was CD40Bs zu einem interessanten Instrument für die antigenspezifische T-Zell-Expansion macht. Allerdings könnten zusätzliche Behandlungen erforderlich sein, da der hohe Anteil an nachgewiesenen endogenen zellulären und humoralen Immunantworten eher auf Antigen-Escape als auf eine fehlende endogenen Immunantwort als Mechanismus der Immuntherapieresistenz beim ösophagogastralen Adenokarzinom hinweist. Da die wechselseitige Beeinflussung von Tumorzellen und Immunantwort sehr individuell ist und diese in präklinischen Tumormodellen oft nur unzureichend wiedergegeben wird, haben wir von Patienten stammende Xenografts etabliert, die als unveröffentlichte Daten in dieser Arbeit enthalten sind. Unser Ziel ist es, diese Mäuse mit patienteneigenen peripheren Lymphozyten oder Knochenmark zu humanisieren, um unser Verständnis der Mechanismen zu verbessern, die der Resistenz gegen Immuntherapien zugrunde liegen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Thelen, Martin Andreas martin.thelen@uk-koeln.de orcid.org/0000-0002-2785-9726 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-716790
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Zentrum für Molekulare Medizin
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Antigen-specific immune responses English Tumor-associated antigens English Immune escape English Tumor immunology English Immunotherapy English Immune-checkpoint blockade English Patient-derived xenograft English Antigen-presentation English
Date of oral exam:	5 September 2023
Referee:	Name Academic Title Klein, Florian Prof. Dr. Gehring, Niels H. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/71679