Migration von T-Zellen und Tumorzellen

Abstract

Die Beeinflussung der Migration von Immunzellen ist von großem Interesse für die Immuntherapie von Tumoren. Das Chemokinsystem spielt eine wesentliche Rolle sowohl für die Steuerung des „Immunzelltrafficking“ (Immunzellverkehr) als auch für die Tumormetastasierung. Mit dem Verständnis der Relevanz des Chemokinsystems für pathologische Immunreaktionen und Tumorzellfunktion/–metastasierung entstanden sehr zeitnah Bemühungen, über spezifische Antagonisierung des Chemokinsystems therapeutische Ansätze zu entwickeln. Um selektive Angriffspunkte für Behandlungsstrategien gegen Tumoren entwickeln zu können, untersuchten wir im Kolorektalkarzinom und nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinom tumoreigene, spezifische Chemokinrezeptorexpressionen/-funktionen. Wir konnten eine vorwiegend zytoplasmatisch lokalisierte CCR7 Variante im Kolorektalkarzinom identifizieren, die in der normalen Kolonmukosa nicht exprimiert wurde, was eine tumor-spezifische Funktion des zytoplasmatischen CCR7 vermuten lässt. Im nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinom entdeckten wir eine nukleäre CXCR4 Expression, die signifikant mit einer Lymphknotenmetastasierung assoziiert war. Bei beiden Tumorentitäten ergaben sich damit keine direkten Ansatzpunkte für eine Chemokinrezeptorblockade, aber möglicherweise für eine zielgerichtete Therapie gegen tumorspezifische, intrazelluläre Moleküle. Auf der Suche nach immuntherapeutischen Ansatzmöglichkeiten untersuchten wir im Rahmen einer Tumorvakzinierungsstudie den Einfluss des Adjuvanz GM-CSF auf die Chemokinrezeptorexpression von Vakzine-induzierten T-Zellen. Über Veränderung des lokalen Vakzinemilieus konnte hierbei eine gesteigerte CXCR3 Expression auf den Vakzine-induzierten T-Zellen erzielt werden. Da die mit CXCR3 korrespondierenden Liganden häufig im Tumorgewebe vorliegen, könnte auf diese Weise, eine zielgerichtete Migration in das Tumorgewebe unterstützt werden und somit den klinischen Benefit von GM-CSF erklären. Des Weiteren untersuchten wir das Migrationsverhalten von T-Zellen bei der GVHD, bei der es durch alloreaktive T-Zellen zu einer Schädigung der Empfängerorgane kommt. Dabei konzentrierten wir uns auf den Thymus, dessen Schädigung die T-Zellrekonstitution beeinträchtigt. Wir charakterisierten die Chemokinrezeptoren, die für die Migration der alloreaktiven T-Zellen in den Thymus eine Rolle spielen, um gegebenenfalls durch spezifische Inhibition eine Schädigung durch GVHD des Thymus verhindern zu können. Es stellte sich heraus, dass nicht ein einzelner, sondern vielmehr verschiedene Chemokinrezeptoren die Migration in den Thymus vermitteln. Die Blockierung eines einzelnen Chemokinrezeptors wäre demnach nicht ausreichend für eine vollständige Inhibition der Migration in den Thymus. Um die Zellmigration im Kontext eines intakten Organismus besser visualisieren und verstehen zu können, entwickelten wir eine neue Methode, um Zellen in ihrer örtlich-zeitlichen Verteilung in vivo darzustellen, und hierbei simultan Informationen über ihrer Aktivierung zu erfassen. Über das Monitoring alloreaktiver T-Zellen konnten wir eine dominante Rolle des Darmes für die frühe Alloreaktion in der Entwicklung der GVHD zeigen. Über das Monitoring adoptiv transferierter, ex vivo-generierter T-Vorläuferzellen konnten wir deren Migration in den Thymus und deren Weiterentwicklung und Selektion erfassen. Der etablierte Vektor ermöglicht auch das Monitoring der Migration von anderen Primär- oder Tumorzellen. Die Grundlage für das Funktionieren des Chemokinsystems scheint zunächst ein sehr klares Prinzip mit Rezeptoren, korrespondierenden Liganden und der Migration von Zellen entlang von Chemokingradienten. In Kombination mit der Relevanz für pathologische Prozesse wie GVHD und Tumormetastasierung stellt das Chemokinsystem eine attraktive Möglichkeit für neue Therapieansätze dar. Die vorgelegten Arbeiten leisten Beiträge sowohl zum Verständnis tumor-spezifisch veränderter Chemokinrezeptorexpressionen wie auch zur Immunzellmigration von T-Zellen im Rahmen der Vakzinierung und allogenen Transplantation. Zudem zeigen sie methodische Fortschritte durch die Biolumineszenz-Bildgebung, die eine Verbesserung der Migrations- und Funktionsanalyse von Zellen und Optimierung immuntherapeutischer Ansätze mittels Adjuvantien ermöglicht.

It is of great interest for the tumor immune therapy to influence the migration of immune cells. The chemokine system plays an important role for the control of the immune cell trafficking and the tumor metastasis. With the understanding of the relevance of the chemokine system for the pathological immune reactions as well as tumor cell functions and metastasis, there has been a lot of effort to develop therapeutic approaches to antagonize the chemokine system. We have investigated tumor-specific chemokine receptor expressions and functions on colorectal cancer and non-small lung cancer cells, in order to develop selective targets for new treatments. We identified a CCR7 variant that was mainly located in the cytoplasm of colorectal cancer cells and was not expressed by normal colon mucosa cells. This suggested a tumor-specific cytoplasmic CCR7 variant. We also found a nuclear CXCR4 expression, which was significantly correlated with lymph node metastases. These tumor-specific chemokine receptors could not be directly blocked, but a selective approach to antagonize the intracellular molecules might be successful. In order to find options to improve immune therapies, we have analyzed the influence of the adjuvant GM-CSF on the chemokine receptor expression of vaccine-induced T cells in the context of a tumor vaccine study. GM-CSF modified the local vaccine milieu, so that the vaccine-induced T cells unregulated CXCR3. Since the corresponding ligands of CXCR3 are often overexpressed in the tumor microenvironment, the clinical benefit of GM-CSF could be due to an increased migration of vaccine-induced T cells to the tumor. Furthermore, we have evaluated the migration of T cells in the context of GVHD, which is mediated by alloreactive T cells damaging the host organs. Hereby, we have focused on the thymus. Damage of the thymus by GVHD negatively impacts the T-cell reconstitution after allogeneic transplantation. We have characterized the repertoire of chemokine receptors relevant for the migration of alloreactive T cells to the thymus. Since multiple chemokine receptors seemed to be involved, blockade of single chemokine receptors would not be sufficient to effectively inhibit the migration to the thymus. Finally, we have also developed a new method to better visualize the spatial-temporal specific T cell activation and trafficking by in vivo imaging. We found a dominant role of the gut for the early activation of alloreactive T cells mediating GVHD. We were also able to in vivo track the migration, development and selection of adoptively transferred, ex vivo-generated T cell precursor cells. The established vector also enables the in vivo imaging of other primary and tumor cells. The principle of the chemokine system is simple: Interaction of chemokine receptors and their corresponding ligands results in the migration of cells along a chemokine gradient. In combination with the relevance of pathological processes like GVHD and tumor metastasis, the chemokine system is an attractive target for new therapeutic strategies. The presented projects and data support the understanding of tumor-specific chemokine receptor expressions as well as T cell migration in the context of vaccination and allogeneic transplantation. Furthermore, they show an optimization of the bioluminescence imaging, which enables a better in vivo analysis of the migration and function of cells for the development of improved immune therapies.