IL-21-Mediated Immunometabolic Modulation of T-Cells

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-02-18
Issue Year
2019
Authors
Böttcher-Loschinski, Romy
Editor
Abstract

T-cells as part of the mammal immune system are important to protect the organism against pathogens. Furthermore, T-cells can specifically recognize and eliminate cancer cells. Therefore, T-cells are often used for individualized cancer therapy. However, T-cell viability and anti-tumor function can be impaired by so called “tumor escape mechanisms” such as competition for nutrients and elevated oxidative stress. Tumor therapies, such as chemo- and radiotherapy, can additionally increase the oxidative stress burden. For instance, a prolonged increased ROS burden was detected in patients, which underwent an extensive chemotherapy and hematopoietic stem cell transplantation. Therefore, strategies are under research for increasing T-cell fitness to withstand tumor escape mechanisms for later immunotherapy. Since the 1980’s, IL-2 is used for T-cell stimulation in tumor therapy. However, because of the partial severe side effects, other cytokines of the IL-2 family such as IL-21 are discussed as new candidates for fine-tuning T-cell fitness and function. Therefore, the impact of IL-21 on metabolism, fitness and differentiation of human T cells in vitro was examined within this thesis. IL-21 was found to increase antioxidant expression as well as mitochondrial fitness and biomass in T-cells compared to IL-2. T-cell expansion with IL-21 resulted in a diminished expression of the exhaustion marker PD-1 on the cell surface and enhanced differentiation into long-lived central-memory-like T-cells compared to IL 2. Additionally, T-cells expanded with IL-21 shifted metabolically from aerobic glycolysis to fatty acid oxidation. This T-cell phenotype is associated with increased resilience and anti tumor efficacy. In summary, treatment with IL-21 led to a different immunometabolic T cell phenotype than IL-2. Usage of IL-21 for T-cell expansion could arm T-cells against the competitive microenvironment, which is found in cancer patients.

Abstract

T-Zellen als Teil des menschlichen Immunsystems spielen eine wichtige Rolle in der Abwehr von Pathogenen. Darüber hinaus können T-Zellen maligne entartete Zellen erkennen und durchaus erfolgreich eliminieren. Aus diesem Grund stellen T Zellen ein vielversprechendes Instrument für die individualisierte Immuntherapie gegen Krebs dar und haben bereits den Weg in die klinische Anwendung gefunden. Jedoch werden das Überleben und die gegen den Tumor gerichtete Immunantwort von T-Zellen durch sogenannte „Tumor-Escape“-Mechanismen behindert. Zu diesen gehören die Expression von sogenannten immunologischen Checkpoints, die Konkurrenz um Nährstoffe und eine erhöhte Produktion von bioaktiven Metaboliten (wie z.B. Sauerstoffradikalen) durch Tumorzellen. Folglich werden neue Strategien benötigt und entwickelt, um z.B. die Expression von Antioxidantien in T Zellen zu erhöhen und damit deren Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidativen Stress für einen späteren Einsatz in Immuntherapien zu verbessern. Eine Strategie zur (in vivo und in vitro) Verbesserung der T-Zell Antwort stellt der Einsatz von Botenstoffen sogenannten Zytokinen dar. Seit den 1980er Jahren wird Interleukin-2 (IL-2) zur Stimulation und Expansion von T-Zellen in der Krebstherapie so z.B. beim Melanom und dem Nierenzellkarzinom eingesetzt. Jedoch kann die Anwendung im Patienten zu ernsthaften Nebenwirkungen, wie z.B. dem Vascular Leak-Syndrom, Fieber und Nierenversagen, führen. Zusätzlich fördert das IL-2 die Differenzierung von immunsuppressiven regulatorischen T Zellen, welche einer effizienten Anti-Tumorantwort entgegenwirken könnten. Daher werden bereits andere Zytokine aus der IL-2 Familie, wie z.B. IL-21, als neue Kandidaten zur Modulation der T Zell Fitness und Funktion diskutiert. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss von IL-21 auf den Metabolismus, die Fitness und die Differenzierung von humanen T-Zellen in vitro untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass IL-21 die Expression von Antioxidantien sowie die Biomasse und Fitness der Mitochondrien im Vergleich zu IL-2 erhöht, was ihnen eine bessere Resistenz gegenüber dem bereits genannten Tumor-assoziierten oxidativen Stress ermöglicht. Dies war zudem mit einer Verschiebung des metabolischen Profils weg von der aeroben Glykolyse hin zur Fettsäureoxidation verbunden. Je nach Aktivierungs- und Differenzierungsstadium weisen T-Zellen unterschiedliche Stoffwechselprofile auf. So nutzen naive T-Zellen vorrangig die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien zur Energiegewinnung. Nach Aktivierung und Differenzierung in Effektor-T-Zellen verschiebt sich der metabolische Phänotyp in Richtung aerober Glykolyse. Auf der anderen Seite zeichnen sich Gedächtnis T Zellen und regulatorische T Zellen durch eine präferentielle Verwendung der Fettsäureoxidation zur Energiegewinnung aus. Tatsächlich führte die Zugabe von IL 21 im Vergleich zu IL 2 in der T Zellkultur zu einer erhöhten Differenzierung von langlebigen Gedächtnis T Zellen. Für die Therapie mit T-Zellen stellt dies einen Vorteil dar, da die transferierten T-Zellen eine längere Persistenz im Empfänger aufweisen können. Darüber hinaus resultierte die Expansion von T Zellen mit IL 21 im Gegensatz zu IL 2 in einer Verringerung von PD-1 auf der Zelloberfläche. Die Expression von PD-1 auf T Zellen signalisiert einen Erschöpfungszustand, den man möglichst vermeiden will. Weiterhin bietet PD-1 an der T Zelloberfläche einen Angriffspunkt zur Immunsuppression durch Tumorzellen, welche den dazugehörigen Liganden PD-L1 exprimieren. Die Expansion mit IL-21 führt also zu einem T-Zellphänotyp, welcher weniger erschöpft ist und zudem weniger anfällig für eine Inhibierung durch Tumorzellen sein könnte. Jedoch sind weitere in vivo Untersuchungen nötig, um diese Schlussfolgerung bestätigen zu können. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Behandlung von T-Zellen mit IL 21 im Vergleich zu IL 2 zu einem veränderten immun-metabolischen Phänotyp führt. Diese Veränderungen wurden in anderen Modellen mit einer erhöhten Überlebensfähigkeit sowie einer effektiveren Wirksamkeit gegen den Tumor assoziiert. Die Nutzung von IL-21 zur Expansion von T-Zellen scheint also vielversprechend zu sein, um sie gegen das kompetitive Mikromillieu in Tumorpatienten zu wappnen und somit die Heilungschancen zu erhöhen.

DOI
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