T-Zellen mit komplementierenden chimären Antigen-Rezeptoren haben eine erniedrigte Aktivierungsschwelle bei der Erkennung von Antigen-Mustern

Abstract

Die adoptive Immuntherapie mit chimären Antigen Rezeptor (CAR) modifizierten T Zellen erzielte kürzlich spektakuläre Erfolge in der Therapie leukämischer Erkrankungen, jedoch zeigten sich bei der Behandlung solider Tumore erhebliche Nebenwirkungen. Dies führte zum Abbruch klinischer Studien. Die Toxizität resultierte daher, dass das respektive Antigen auch auf gesundem Gewebe exprimiert wurde. Deshalb wurden Strategien entwickelt, um die Selektivität für Tumorzellen zu erhöhen. <br /> Ein Ansatz macht sich die Tatsache zunutze, dass Tumorzellen andere Antigen-Muster als gesunde Zellen aufweisen. Bei der Strategie der kombinatorischen Antigen-Erkennung werden T Zellen mit zwei CARs ausgestattet, die diese Muster erkennen. Ein CAR liefert das Primärsignal, der zweite CAR die Kostimulation; die Komplementation beider Signale bei Bindung beider Antigene führt zur anhaltenden T Zell Aktivierung. Die Strategie beruht bisher auf einer empirischen Kombination verschiedener CARs, wobei eine mechanistische Erklärung fehlt. <br /> Eine Voraussetzung nach unseren Beobachtungen ist, dass die koexprimierten CARs keine stabilen Heterodimere ausbilden. Unsere Daten belegen, dass das Trennen der Signale zu einer Veränderung der Aktivierungsschwelle der CAR T Zellen führt. Bei der Koexpression eines CAR mit gamma Primärsignal und eines CAR mit CD28 Kostimulation wird die Aktivierungsschwelle gegenüber Zielzellen mit Expression beider Antigene erniedrigt, während die Aktivierungsschwelle gegenüber Zielzellen mit nur einem Antigen erhöht wird. Des Weiteren spielt die Anzahl der CAR Moleküle auf der T Zell Oberfläche bei der Modulation der Aktivierungsschwelle eine entscheidende Rolle. Durch die koexprimierten CARs mit den Signalen in trans wird eine Feinregulation der T Zell Aktivierung und hierarchische Zytokin-Freisetzung ermöglicht, wie sie auch bei der physiologischen T Zell Aktivierung erfolgt. Dieses ist eine Verbesserung gegenüber den derzeitig in Studien eingesetzten CARs, die durch die Verknüpfung der Signaldomänen in einem Rezeptormolekül keine Feinregulation in der T Zell Antwort aufweisen.<br /> In dieser Arbeit wurden Parameter definiert, die die Aktivierungsschwelle der CAR T Zelle beeinflussen. Durch die Identifikation dieser Parameter wird es ermöglicht, komplementierende CARs für die selektive Erkennung der Zielzellen einzusetzen. Dadurch erweitert sich der Anwendungsbereich der adoptiven T Zell Therapie mit chimären Antigen-Rezeptoren für eine Vielzahl von Tumoren.

<strong>Complementary signaling by two CARs tunes the activation threshold for combinatorial antigen recognition</strong><br /> Adoptive immune therapy with chimeric antigen receptor (CAR) modified T cells recently produced spectacular success in the therapy of leukemia; however, CAR T cells showed fatal side effects when targeting solid tumors resulting in trial abandonment. Toxicity was due to targeting low amounts of the respective antigen on healthy tissues. Strategies were designed in order to increase selectivity to tumor cells.<br /> One approach is based on the fact that tumor cells express particular antigen patterns different to those of healthy cells. The concept of combinatorial antigen recognition uses T cells engineered with two CARs redirected against these antigens. One CAR provides the primary signal, the second one CD28 costimulation; complementation in signaling upon binding of both antigens results in prolonged T cell activation. The current strategy empirically combines different CARs; an idea for a mechanistic rationale is still missing.<br /> We suggest the prerequisite that the co-expressed CARs do not form stable hetero-dimers. Our data showed that splitting the two signals results in an altered activation threshold. Co-expression of a CAR with a primary gamma signal and a CD28 costimulatory CAR lowers the activation threshold against target cells with both antigens while the threshold is increased towards cells with one antigen only. The number of CAR molecules per T cell surface is crucial for tuning the activation threshold. Co-expressed CARs with signals in trans allow fine-tuning of T cell activation and hierarchic cytokine release similar to the physiologic T cell activation. This is a significant improvement of those CARs currently used in trials which, by linking the signaling domains in one receptor molecule, do not provide a fine-tuning in the T cell response.<br /> The Thesis defines parameters which impact the activation threshold of the CAR T cell. Identification of these determining factors revealed a roadmap for a CAR design to recognize target cells in a selective fashion. Thereby the application of adoptive cell therapy with chimeric antigen receptors is expanded to a variety of tumors.