Engineering antigen-specific primary human NK cells against HER-2 positive carcinomas

Abstract

NK cells are promising effectors for tumor adoptive immunotherapy, particularly when considering the targeting of MHC class I low or negative tumors. Yet, many tumor cells are resistant to NK killing, which is mainly the case for non-hematopoietic tumors such as carcinomas or melanoma, even when these cells lose MHC class I expression. In this study, primary human NK cells were engineered by gene transfer of an activating chimeric receptor (CR) specific for HER-2, which is frequently overexpressed on carcinomas. To tip the signal balance towards activation, the antigen-binding domain in this CR was fused to the joined CD3ζ and CD28 signaling domains. I found that these targeted NK cells were specifically activated upon recognition of any HER-2 positive tumor cell tested as indicated by high levels of cytokine secretion as well as degranulation and tumor cell lysis. The magnitude of this specific response correlated with the level of HER-2 expression on the tumor cells and was independent of their MHC class I expression level. Remarkably, CR-mediated activation was shown to override inhibition to „self‟ in an autologous setting. Also, freshly isolated HER-2 positive tumor cells from ovarian cancer patients were efficiently targeted by allogeneic and autologous CR-engineered NK cells. Importantly, blocking of NKG2D, which is known to render NK cells less responsive, did not have any impact on this CR-meidated HER-2 specific recognition. Moreover, a side-by-side comparison revealed a superior recognition of the CR over trastuzumab-mediated NK cell activation. Finally, these CR transduced NK cells, but not their mock transduced counterpart, eliminated coinjected tumor cells in NOD/SCID and RAG2 knockout mice as visualized by in vivo imaging. The major advantage of this approach is the direct coupling of the specificity of the chimeric receptor to the function of NK cells that makes it superior to the currently widely used approach based on monoclonal antibodies, which have a short half-life. Moreover, the antibody therapy strongly depends on the patient‟s given FcγR composition. Finally, only 30 % of HER-2 positive tumors are responsive to trastuzumab therapy. Taken together, these results indicate that the expression of this activating chimeric receptor overrides inhibitory signals in primary human NK cells and directs them specifically towards all tested HER-2 expressing tumor cells both in vitro and in vivo.

NK-Zellen sind vielversprechende Effektoren im Hinblick auf adoptive Immuntherapie von Tumoren, vor allem wenn man auf Tumore mit wenig oder keiner MHC-Klasse-I-Expression abzielt. Trotzdem sind viele Tumore resistent gegen den Angriff durch NK-Zellen, was besonders für Tumore des nicht- hämatopoietischen Ursprungs wie Karzinome und Melanome zutrifft. In dieser Studie wurden primäre humane NK-Zellen durch Gentransfer mit einem aktivierenden, chimären Rezeptor (CR) spezifisch für HER-2 versehen, welches häufig auf Karzinomen überexprimiert ist. Durch Fusion der Antigen- Bindungsdomäne mit der gekoppelten CD3ζ- und CD28-Signaldomäne wurde die Signal-Balance zugunsten von Aktivierung verschoben. Die CR-modifizierten NK- Zellen wurden aufgrund der Erkennung jeglicher getesteter HER-2 positiver Tumorzellen spezifisch aktiviert, was durch einen hohen Grad von Zytokin- Produktion, Degranulation sowie Tumorzell-Lyse belegt wurde. Das Ausmaß der spezifischen Antwort korrelierte mit dem HER-2-Expressionsniveau und war unabhängig von dem MHC-Klasse-I Expressionsniveau. Die CR-vermittelte Aktivierung hat überdies die Selbstinhibition, welche in einem autologen Milieu das Angreifen eigener Zellen verhindert, aufgehoben, und auch frisch isolierte, HER-2-positive Tumorzellen von Ovarialkarzinom-Patienten wurden effizient durch allogene und autologe CR-modifizierte NK-Zellen erkannt. Des Weiteren hatte die Blockierung von NKG2D keinen Einfluss auf die CR- vermittelte, HER-2-spezifische Erkennung. Im direkten Vergleich war der CR- Ansatz der trastuzumab-vermittelten Erkennung überlegen. Schließlich haben die CR-transduzierten NK-Zellen effizient Tumorzellen in NOD/SCID- sowie RAG2 -knockout-Mäusen beseitigt. Der Vorteil dieser Studie liegt in der Koppelung der Spezifität des CR an die Funktion der NK-Zellen, wodurch dieser Ansatz den zur Zeit eingesetzten monoklonalen Antikörpern überlegen ist, da diese eine kurze Lebensdauer haben. Außerdem hängt die Antikörpertherapie stark von der gegebenen FcγR-Komposition des Patienten ab. Überdies sprechen lediglich 30 % der HER-2-positiven Tumore auf die trastuzumab-Therapie an. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass die Expression eines aktivierenden, chimären Rezeptors die inhibierenden Signale in primären humanen NK-Zellen aufhebt, und dass diese NK-Zellen gegen alle getesteten HER-2 positiven Tumorzellen sowohl in vitro als auch in vivo spezifisch vorgehen.