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Regulation of the effective anti-tumor CD4+ T cell immunity by agonistic CD137 antibody

Akhmetzyanova, Ilseyar

Jüngste Erfolge bei der immuntherapeutischen Behandlung von entarteten Krebszellen durch Stimulation bestimmter Immunzellen wecken die Hoffnung, das Tumorwachstums lebenslang kontrollieren zu können. Allerdings sind die immunologischen Mechanismen, die den immuntherapeutischen Strategien zugrundeliegen, bis heute nicht vollständig geklärt. In dieser Arbeit wurde die Kontrolle des Tumorwachstums durch CD4+ T Zellen in Anwesenheit des CD137 (4-1BB)-Agonisten untersucht. Als Tumorzelllinie wurden die immunogenen, FV induzierten FBL-3 Zellen verwendet, die stets in Abwesenheit von CD8+ T-Zellen untersucht wurden. CD137 ist ein Mitglied der Tumornekrosisfaktor-Rezeptor (TNFR) Superfamilie, welches bei der T Zellaktivierung und T-Zellfunktion, wie z.B. Expansion, Überleben und Zytokinproduktion, mitwirkt. In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass die Behandlung mit dem CD137-Agonisten in CD8+ T-Zell-depletierten Mäusen zu einem vollständigen Rückgang des FBL-3 Tumorwachstums führte. Dabei zeigte sich, dass CD137 die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen, wie IFN-γ, TNF-α und IL 2, und des zytotoxischen Moleküls Granzym B in tumorspezifischen CD4+ T Zellen induziert. In den vergangenen Jahren rückten regulatorische T Zellen (Tregs), welche eine supprimierende Population innerhalb der CD4+ T Zellen darstellen, in den Fokus der Forschung, da diesen eine funktionelle Plastizität zugesprochen wird. Interessanterweise wird CD137 nicht nur auf aktivierten Effektor T-Zellen, sondern auch konstitutiv auf CD4+Foxp3+ Tregs exprimiert. Wir konnten zeigen, dass die Bindung von CD137 an Tregs zu einer Expansion dieser bestimmten Tregs führte, welche hauptsächlich dem Thymus entstammen und als natürliche Tregs bezeichnet werden. Nach in vivo anti-CD137 Therapie war zu erkennen, dass Tregs einen stark aktivierten und differenzierten Phänotyp aufwiesen und eine vermehrte Proliferation zeigten. Zusätzlich stellte sich heraus, dass eine Subpopulation der CD4+ Foxp3+ Tregs durch Applikation des CD137-Agonisten umprogrammiert werden konnte, sodass diese daraufhin virusinfizierte Tumorzellen eliminieren konnte. Diese umfunktionierten Tregs exprimierten den für T-Helferzellen charakteristischen Marker (CD154). Zusätzlich produzierten sie das Zytokin TNF-α und waren positiv für Eomesodermin (Eomes) und Granzym B. Interessanterweise führte die Umprogrammierung dieser Tregs nicht zum Verlust der Foxp3 Expression. Es zeigte sich in vivo, dass die doppelt positiven Foxp3+Eomes+ CD4+ T-Zellen virusinduzierte Tumorzellen töten konnten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine bestimmte Population der Foxp3+ CD4+ T Zellen über den CD137-Signalweg zu Anti-Tumor-Effektorzellen umgewandelt werden konnte. Daher könnte diese Manipulation von Tregs und CD4+ T-Zellen in vivo zur Entwicklung von neuen Medikamenten beitragen, welche dann zur immuntherapeutischen Bekämpfung von onkoviralen Krankheiten verwendet werden können.

Recent successes in immune therapeutic strategies aimed to improve control over tumor growth have sparked the hope that long-lived control of cancer through stimulation of the immune system can be possible. However, the underlying immunological mechanisms that are induced by immunotherapeutic strategies are not well understood. Here, we used the highly immunogenic FV-induced FBL-3 tumor as a model to study the mechanisms of immunological tumor control by CD4+ T cells in the course of CD137 (4-1BB) agonist immunotherapy and in the absence of a visible CD8 T cell response. CD137 is a member of the Tumor Necrosis Factor Receptor (TNFR) superfamily, which is involved in T cell activation and function, including expansion, survival, and cytokine production of effector T cells. We demonstrate that treatment with a CD137 agonist resulted in complete FBL-3 tumor regression in CD8+ T cell deficient mice. CD137 signaling enhanced the production of pro-inflammatory cytokines, such as IFN-γ, TNF-α, and IL-2, and cytotoxic molecule granzyme B in tumor-specific CD4+ T cells. Over the last years the idea that Tregs, a suppressive subset of CD4+ T cells, can undergo functional plasticity has received growing attention. Interestingly, in addition to being expressed on activating effector T cells the CD137 molecule is constitutively expressed on CD4+Foxp3+ Tregs. In the current study, we showed that the engagement of CD137 on Tregs resulted in expansion of their numbers and that they were mostly thymic-derived nTregs. Additionally, the Tregs found following αCD137 therapy in vivo were highly activated, differentiated, and had high proliferation capacity. Moreover, a subset of CD4+Foxp3+ Treg cells was reprogrammed to eliminate virus-induced tumor cells in response to CD137 agonist treatment. These converted Tregs expressed a marker characteristic for T helper cells (CD154) and produced the cytokine TNF-α or the cytotoxic transcriptional factor Eomesodermin (Eomes) and granzyme B without loss of Foxp3 expression. Foxp3 Eomes double-positive CD4+ cells were capable of eliminating virus-induced tumor cells in vivo. Our results reveal a unique population of Foxp3+ CD4+ T cells adopting the anti-tumor effector functions of conventional CD4+ T cells upon CD137 signaling. Therefore, this study might contribute to the development of new reagents to manipulate Tregs and CD4+ T cells in vivo that can be used for immunotherapy of malignancies caused by oncoviruses.

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Akhmetzyanova, Ilseyar: Regulation of the effective anti-tumor CD4+ T cell immunity by agonistic CD137 antibody. 2015.

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