Dokument: Improving Chimeric Antigen Receptor Design and Therapy for Treatment of Cancer

Titel:	Improving Chimeric Antigen Receptor Design and Therapy for Treatment of Cancer
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65405
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240603-111159-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Bister, Arthur [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 26,16 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.04.2024 / geändert 11.04.2024
Beitragende:	PD Dr. Hanenberg, Helmut [Gutachter] Prof. Dr. Kassack, Matthias [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Within the last decade cancer immunotherapy has changed the way cancer is being treated and is nowadays, in addition to surgery, radiotherapy, chemotherapy and molecular targeting therapy, referred to as the 5th pillar of cancer care. Central to this dogmatic shift is chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy, where the patients T-cells are collected and equipped with CARs before being reinfused into the patient to treat the malignancy. CARs are receptors that enable tumor cell recognition and T-cell activation with subsequent lysis of the tumor cells in a single molecule. Thus, CAR T-cell therapy is a highly personalized therapy, where the patient’s own immune cells are employed as the therapeutic agent and where the CAR is adapted to the patient’s tumor. The huge success of the therapy culminated ultimately in the clinical approval of six CAR T-cell products for the treatment of B-cell-derived malignancies in the last six years and more are expected in the near future. Before this form of therapy can be applied more broadly, there are several challenges that need to be overcome. Unfortunately, CAR T-cell therapy is associated with several severe adverse events, which can cause life-threatening symptoms, require intensive care and bring along huge amounts of treatment-associated costs. So far, the success of CAR T-cell therapy for hematological malignances could not be translated to solid tumors, since these lack safe antigens to target, are defined by a high degree of tumor heterogeneity, are for immune cells hard to migrate to and infiltrate into and are characterized by a hostile tumor microenvironment. These factors, make it hard to design CAR T-cell therapy for solid tumors in the first place, but also limit therapy efficacy by impeding T-cell migration and function towards and in the tumor. Additionally, CAR T-cells have to be manufactured individually in a time-consuming and labor-intensive process for every patient, which limits CAR T-cell availability and results in immense therapy costs. Within this dissertation, some of these issues are tackled to drive CAR therapy forward. The inclusion of novel hinges derived from human CD34 and NGFR, allows to easily detect CAR T-cells via flow cytometry and to enrich them with immunomagnetic reagents before a potential infusion into the patient and thus enables to produce pure and defined CAR T-cell products. In the future this system could be combined with suicide genes, which allow to eliminate CAR T-cells when serious adverse events occur, which is a prerequisite for the development of allogeneic therapies. Importantly, CARs equipped with these hinges were as efficacious in vitro as well in vivo as CARs that contained hinges from clinically approved constructs. To improve CAR T-cell therapy for solid tumors, high-affinity CARs against CD44v6 as well as EGFR were developed from clinically approved monoclonal antibodies and afterwards validated regarding efficacy and specificity in various in vitro models, where both CARs proved to be highly efficacious and specific for their respective target. Moreover, since malignant cells are often epigenetically dysregulated to withstand apoptosis, solid tumor cell lines were sensitized with epigenetic inhibitors towards CAR T-cell mediated killing. Lastly, for the development of an allogeneic CAR therapy, NK cells were employed as effector cells. Here, an efficient workflow, including lentiviral transduction with subsequent immunomagnetic enrichment of the transduced cells, was established for the generation of CAR NK cells. Moreover, (CAR) NK cells were modified to express various IL15 constructs to improve NK cell persistence in vivo, which proved to be crucial for tumor control. Taken together, these findings will hopefully help to enable off-the-shelf CAR therapies, which reduces treatment cost and time, and to close the gap between the treatment of hematological and solid tumors. Ultimately, both challenges must be overcome in order for CAR therapy to benefit as many patients as possible. In den letzten zehn Jahren hat die Krebsimmuntherapie die Art und Weise der Krebsbehandlung verändert und wird heute neben Chirurgie, Strahlentherapie, Chemotherapie und molekularer zielgerichteter Therapie als fünfte Säule der Krebsbehandlung bezeichnet. Im Mittelpunkt dieses dogmatischen Wandels steht die chimäre Antigenrezeptor (CAR)-T-Zelltherapie, bei der die T-Zellen des Patienten gesammelt und mit CARs ausgestattet werden, bevor sie dem Patienten zur Behandlung des Krebses reinfundiert werden. CARs sind Rezeptoren, die die Erkennung von Tumorzellen und die Aktivierung von T-Zellen mit anschließender Lyse der Tumorzellen in einem einzigen Molekül ermöglichen. Die CAR-T-Zelltherapie ist demnach eine hochgradig personalisierte Therapie, bei der die eigenen Immunzellen des Patienten als Therapeutikum eingesetzt werden und das CAR an den Tumor des Patienten angepasst wird. Der große Erfolg der Therapie resultierte in der klinischen Zulassung von sechs CAR-T-Zell-Produkten für die Behandlung von B-Zell-Malignomen in den letzten sechs Jahren, und weitere werden in naher Zukunft erwartet. Bevor diese Therapie jedoch in größerem Umfang eingesetzt werden kann, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden. Leider ist die CAR-T-Zell-Therapie mit mehreren schwerwiegenden unerwünschten Ereignissen verbunden, welche lebensbedrohliche Symptome hervorrufen können, eine intensivmedizinische Betreuung erfordern und enorme Behandlungskosten verursachen. Bisher konnte der Erfolg der CAR-T-Zell-Therapie bei hämatologischen Malignomen nicht auf solide Tumore übertragen werden, da diese nicht über sichere Zielantigene verfügen, durch ein hohes Maß an Tumorheterogenität definiert sind, für Immunzellen schwer zu erreichen und zu infiltrieren sind und durch eine feindliche Tumormikroumgebung gekennzeichnet sind. Diese Faktoren erschweren nicht nur die Entwicklung einer CAR-T-Zelltherapie für solide Tumore, sondern schränken auch die Wirksamkeit der Therapie ein, da sie die Migration und Funktion der T-Zellen zum und im Tumor behindern. Zusätzlich müssen CAR-T-Zellen für jeden Patienten einzeln in einem zeit- und arbeitsintensiven Prozess hergestellt werden, was die Verfügbarkeit von CAR-T-Zellen einschränkt und zu immensen Therapiekosten führt. In dieser Dissertation werden einige dieser Probleme angegangen, um die CAR-Therapie voranzutreiben. Die Integration neuartiger Hinge-Domänen, die von humanem CD34 und NGFR abgeleitet sind, ermöglicht es, CAR-T-Zellen mittels Durchflusszytometrie leicht zu erkennen und sie vor einer potenziellen Infusion in den Patienten mit immunmagnetischen Reagenzien anzureichern und somit reine und definierte CAR-T-Zellprodukte herzustellen. In Zukunft könnte dieses System mit Suizidgenen kombiniert werden, die es ermöglichen, CAR T-Zellen zu eliminieren, wenn schwerwiegende Nebenwirkungen auftreten, was eine Voraussetzung für die Entwicklung allogener Therapien ist. Wichtig ist, dass die mit diesen Hinges ausgestatteten CARs sowohl in vitro als auch in vivo genauso wirksam waren wie CARs, die Hinge-Domänen von klinisch zugelassenen Konstrukten enthielten. Zur Verbesserung der CAR-T-Zelltherapie bei soliden Tumoren wurden aus klinisch zugelassenen monoklonalen Antikörpern hochaffine CARs gegen CD44v6 und EGFR entwickelt und anschließend in verschiedenen in-vitro-Modellen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und Spezifität validiert. Da Tumorzellen häufig epigenetisch dysreguliert sind, um der Apoptose zu widerstehen, wurden zudem Tumorzelllinien mit epigenetischen Inhibitoren für die CAR-T-Zell-vermittelte Abtötung sensibilisiert. Schließlich wurden für die Entwicklung einer allogenen CAR-Therapie NK Zellen als Effektorzellen eingesetzt. Hier wurde ein Protokoll, einschließlich lentiviraler Transduktion und immunomagnetischer Anreicherung der transduzierten Zellen, zur effizienten Herstellung von CAR NK Zellen etabliert. Zudem wurden (CAR-) NK-Zellen mit IL-15-Konstrukten modifiziert, um die NK-Zellpersistenz in vivo zu verbessern, was sich als entscheidend für die Tumorkontrolle erwies. Zusammengenommen werden diese Ergebnisse hoffentlich dazu beitragen, Off-the-Shelf-CAR-Therapien, zur Reduzierung von Behandlungskosten und -zeit, zu ermöglichen, und die Lücke zwischen der Behandlung von hämatologischen und soliden Tumoren zu schließen. Letztlich müssen beide Herausforderungen überwunden werden, damit die CAR-Therapie möglichst vielen Patienten zugutekommen kann.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	03.06.2024
Dateien geändert am:	03.06.2024
Promotionsantrag am:	25.07.2023
Datum der Promotion:	05.02.2024