Aptamers for targeted activation of T cell-mediated immunity

Abstract

An attractive way of preventing or curing infections and diseases is to mobilize patient’s own defense mechanisms, the immune system. Treatments following this approach are commonly known as immunotherapies. The development of protective long-term immunity requires activation of the effectors of the adaptive immune system, in particular T cells, by cells involved in innate immunity. <br /> Dendritic cells (DCs) represent the interface between the non-specific innate immunity and the highly specific adaptive immunity. Upon recognition of antigenic structures and subsequent activation, DCs deliver all signals necessary for adequate T cell priming. Hence, immunization with DC-based vaccines has become of utmost importance in immunotherapy. One remarkable approach to achieve this goal, is to conjugate antigens to carrier molecules that specifically target DCs.<br /> In the study at hand, a novel promising class of carriers, namely aptamers, was investigated. Aptamers are shape defined nucleic acids ligands that bind with high affinity and specificity to their particular target. Herein, DC-specific aptamers were selected by two different strategies. Firstly, aptamer CTL#5 was identified by addressing recombinant proteins originating from the murine mannose receptor (MR) in a conventional SELEX approach. The MR is an endocytic receptor that is crucial in recognizing and processing of antigens by DCs. Secondly, aptamers D#5 and D#7 were selected without knowledge of the respective target structure by directly using murine bone marrow-derived DCs in cell-SELEX process. Moreover, it was demonstrated that the selected aptamers exhibit all properties to function as suitable carriers. They bind specifically to DCs, were internalized and localized within appropriate antigen processing compartments and show low immunogenicity. Most importantly, the present study revealed that the selected aptamers are potent mediators of targeted activation of specific T cells. To this end, an ovalbumin (OVA) model system was applied. Aptamer-based delivery of antigenic OVA peptides to DCs resulted in strong activation of OVA-specific CD4 or CD8 T cell. <br /> In summary, the present thesis broadens current knowledge of the aptitude of aptamers for use as DC-based vaccine treatments.

Das körpereigene Immunsystem von Patienten kann therapeutisch angeregt werden zur Prävention und Heilung von Erkrankungen und Infektionen. Anwendungen dieser Art sind allgemein bekannt als Immunotherapien. Ziel ist hierbei die Ausbildung einer schützenden Langzeit-Immunität, die durch spezialisierte Effektorzellen des erworbenen Immunsystems vermittelt wird. Diese sogenannten T-Zellen müssen hierfür durch Zellen des angeborenen Immunsystems aktiviert werden. <br /> Dendritische Zellen (DZ) repräsentieren die Interphase zwischen dem relativ unspezifischen angeborenen Immunsystems und dem hoch-spezifischen erworbenen Immunsystems. Diese Zellen erkennen antigene Strukturen und unterlaufen dabei einen Reifungsprozess. Reife DZ generieren alle nötigen Signale, um T-Zellen optimal zu aktivieren. Es besteht daher ein großes Interesse an DZ-basierten Immunotherapien. Hervorzuheben ist hierbei die Vakzinierung mit Antigenen, die durch Trägermoleküle spezifisch zu DZ transportiert werden <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob Aptamere eine neue Klasse an DZspezifischen Trägermolekülen darstellen. Aptamere sind Nukleinsäure-Liganden, die aufgrund ihrer Konformation affin und spezifisch an ihre Zielstruktur binden. Zwei unterschiedliche Strategien wurden verfolgt, um die hier beschriebenen DZbindenden Aptamere zu selektieren. Einerseits wurde Aptamer CTL#5 mit einer Protein-SELEX Methode identifiziert. Rekombinante Proteine, die vom Mannose Rezeptor (MR) stammen, wurden hierbei als Zielstruktur verwendet. Der MR ist ein endozytischer Rezeptor und ist entscheidend für die Erkennung, Aufnahme und Prozessierung von Antigenen durch DZ. Die Aptamere D#5 und D#7 wurden andererseits durch die sogenannte Zell-SELEX Methode identifiziert, hierfür wurden DZ isoliert aus dem Knochenmark von Mäusen als komplexe Zielstrukturen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die Aptamere alle notwendigen Eigenschaften als Trägermoleküle besitzen. Sie binden spezifisch an DZ, werden internalisiert und gelangen in adäquate Zellkompartimente, die wichtig für die Prozessierung von Antigenen sind. Zudem sind die Aptamere nur schwach immunogen. <br /> Abschließend wurde in dieser Arbeit demonstriert, dass die Aptamere zur zielgerichteten Aktivierung von T-Zellen verwendet werden können. Durch Verwendung eines Ovalbumin (OVA) Modellsystems konnte gezeigt werden, dass der Aptamervermittelte Transport von antigenen OVA-Peptiden eine starke Aktivierung von OVAspezifischen CD4 oder CD8 T-Zellen auslöst.