Adoptive T cell therapy (ATT) is a promising cancer immunotherapy. However, targeting a tumor antigen also expressed in peripheral tissues harbors the risk of „on-target, off-tumor“ toxicity. Furthermore, ATT is highly dependent on the rapid generation of sufficient numbers of tumor-reactive T cells, for which activation and expansion of T cells is indispensable. The properties of the final cell product decisively determine the success of ATT. Central memory T cells (Tcm) and stem cell memory T cells (Tscm) are valuable candidates for ATT because of their ability to self-renew and differentiate into potent effector T cells. Different questions were addressed using the unique bioluminescence imaging of T cells (BLITC) reporter system, which is able to monitor T cell migration and activation patterns in vivo. 1) Shifting the balance between “on-target, off-tumor“ toxicity and Graft versus Tumor (GvT) within the HY minor histocompatibility antigen mismatch model by treatment with lymphocyte Peyer’s patch adhesion molecule (LPAM)-1. Reduced T cell infiltration into the mesenteric tissue was not traceable in bioluminescence measurements and treatment with LPAM-1 antibody did not lead to an ameliorated “on-target, off-tumor“ toxicity. 2) Expanding T cell numbers and effector functionality by using the new cytokine combination IL15/IL27. Thus, IL15/IL27 expanded T cells were compared with IL7/IL15 expanded T cells, which is already in use for some clinical trials. The present PhD project demonstrated a doubling of T cell numbers with retained cytokine expression in vitro compared to IL7/IL15 expanded T cells. However, comparison of whole transcriptome signatures did not show significant differences in gene expression. 3) Extended T cell expansion with IL7/IL15 revealed enhanced yield of Tcm cells without lacking T cell functionality. Long-term (LT) T cell expansion was compared with commonly used short-term expanded T cells regarding in vitro cytokine expression, expression of T cell inhibiting receptors (TIRs), apoptosis and proliferation capacity. Further longitudinal changes of the Tcm transcriptome were characterized by RNA sequencing and revealed a high overlap of CD8 and CD4 up- or down-regulated genes over time. This might occur due to LT expansion, but in vivo analysis of LT T cells demonstrated preserved engraftment, persistence, proliferation and anti-tumor capacities. It was possible to confirm in vitro findings for human T cells. This thesis demonstrates a feasible manufacturing protocol by simply using the cytokines IL7/IL15 for extended T cell expansion resulting in significant increased numbers of favorable T cells with central memory or stem cell like properties and widely preserved T cell functionality. This could be of clinical relevance for hampered T cell manufacturing or for providing an optional second donor lymphocyte infusion.
Die adoptive T-Zelltherapie (ATT) ist eine vielversprechende Krebsimmuntherapie. Allerdings birgt das spezifische Angreifen von Tumorantigenen oftmals das Risiko, dass diese Antigene auch auf anderem Gewebe exprimiert sind und es somit zu einer "on-target, off-tumor" Toxizität kommen kann. Für den Erfolg der ATT sind Produktionsdauer und die Eigenschaften des T-Zellprodukts mitentscheidend. Zentrale Gedächtnis-T-Zellen (Tcm) und Stammzellen-Gedächtnis-T-Zellen (Tscm) stellen aufgrund ihrer Fähigkeit zur Selbsterneuerung und reaktiven Differenzierung zu potenten Effektor-T-Zellen hierbei wertvolle Kandidaten für die ATT dar. Über das Biolumineszenz-Imaging von T-Zellen (BLITC)-Reportersystem, das die Verlaufsbeobachtung von Migration, Expansion und Aktivierung adoptiv transferierter T-Zellen in vivo ermöglicht, wurde Folgendes untersucht: 1) Die Verschiebung der "on-target, off-tumor" Toxizität und Transplantat-gegen-Tumor (GvT)-Aktivität innerhalb des HY-Antigen-Modells mittels spezifischer Antikörperblockierung von Lymphozyten Peyer's Patch Adhäsionsmolekül (LPAM)-1. Eine reduzierte T-Zellinfiltration in intestinales Gewebe war bei den Biolumineszenz-Messungen nicht nachweisbar und die Behandlung mit dem LPAM-1-Antikörper führte nicht zu einer verbesserten "on target, off tumor" Toxizität. 2) Erhöhung der T-Zellzahl und der Effektorfunktionalität mittels neuer Zytokinkombination IL15/IL27. Dazu wurden T-Zellen nach Expansion mit IL15/IL27 versus IL7/IL15, einer Standardkombination in klinischen Studien, verglichen. In der vorliegenden Promotionsarbeit zeigte sich eine Verdoppelung der T Zellzahl nach IL15/IL27 Expansion bei vergleichbarer Zytokinexpression in vitro – verglichen mit IL7/IL15 expandierten T-Zellen. Der Vergleich von Transkriptomdaten zeigte allerdings keine signifikanten Unterschiede in der Genexpression. 3) Die Verlängerung der T-Zell-Expansion mit IL7/IL15 ergab eine erhöhte Ausbeute an Tcm-Zellen bei gleichbleibender T-Zell-Funktionalität. Die verlängerte (LT) T-Zellexpansion wurde mit den üblicherweise verwendeten kurzzeitig (ST) expandierten T-Zellen hinsichtlich der in vitro Zytokinexpression, der Expression von T-Zell-inhibierenden Rezeptoren (TIRs), der Apoptose und der Proliferationskapazität verglichen. Weitere longitudinale Veränderungen des Tcm-Transkriptoms wurden durch RNA-Sequenzierung charakterisiert und zeigten eine hohe Überlappung der CD8 und CD4 hoch- oder runter-exprimierten Gene. In vivo Ergebnisse bzgl. Anwachsen, Persistenz, Proliferation und Anti-Tumor-Kapazität der T-Zellen waren vergleichbar. Die in vitro Ergebnisse konnten für humane T-Zellen bestätigt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt ein praktikables Herstellungsprotokoll für eine Langzeit T-Zell Kultur durch die Standardkombination IL7 /IL15, mit dem eine signifikant erhöhte Anzahl bevorzugter T-Zellen mit Gedächtnis- oder Stammzell-ähnlichen Eigenschaften und einer weitgehend erhaltenen T-Zell-Funktionalität erzielt werden kann. Die Ergebnisse sind von klinischer Relevanz für schlecht expandierende T-Zellen oder für die Bereitstellung einer optionalen zweiten T-Zellinfusion.
