Impact of IFN-γ resistance & MAPK inhibition on the immune surveillance of malignant melanoma - relevance for immune-based therapies

Pieper, Natalia GND

The BRAFV600E mutation, expressed in approximately 50% of melanomas, mediates constitutive activation of the BRAF-MEK-ERK (MAPK) signaling pathway and therefore tumor proliferation. Rapid and high rate of clinical responses can be achieved by applying MAPK inhibitors (MAPKi), such as BRAFi and MEKi as single agents or in combination. Nevertheless, disease progresses in the majority of treated patients due to resistance. Combining targeted therapy with immune checkpoint blockade is proposed to improve the long-term survival of patients. However, to which extent BRAFi may affect melanoma immunogenicity over time remains largely unknown. Moreover, a considerable number of patients does not respond to immune checkpoint blockade pointing to immune escape mechanisms. Since IFN-γ is known to play an essential role in tumor control mediated by CD8+ T cells, which are the anti-tumor effectors in immunomodulating antibody therapy, the first aim of the thesis was to explore mechanisms contributing to insensitivity of melanoma cells towards IFN-γ. The second objective was to investigate the impact of MAPK inhibition on the recognition of human melanoma cells by autologous CD8+ T cells and NK cells, in order to provide mechanistic insights and valuable suggestions concerning treatment strategies for malignant melanoma. To accomplish this, several melanoma patient models consisting of tumor tissue, corresponding cell lines, autologous CD8+ T cells and NK cells were used in the studies. The first article included in this work demonstrates that IFN-γ-resistant melanoma clones can evolve in the course of disease under the selective pressure of an effective anti-tumor immune response in patients receiving different types of immunotherapy. Here, loss of chromosomal material and subsequent inactivating mutations in genes of the type II IFN signaling pathway (e.g. JAK1, JAK2) were found to be causative for the insensitivity of melanoma cells towards IFN-γ-mediated antitumorigenic effects. Moreover, it was demonstrated that IFN-γ resistant cells can further evolve into HLA class I negative populations due to silencing of genes involved in antigen presentation, the re-expression of which could no longer be induced by IFN-γ. This mechanism can lead to melanoma cell escape from CD8+ T cell recognition rendering immunotherapeutic approaches ineffective. These results indicate that screening of tumor lesions for genetic defects in the IFN-γ signaling pathway should be considered in selecting patients for immunotherapy. The two following publications deal with the effects of MAPKi on the recognition of different patient-derived melanoma cell lines by NK cells and T cells. Article II presented in this thesis demonstrates that already after 2-3 days of BRAFi treatment melanoma cell variants evolve, which escape NK cell-mediated recognition by strongly decreasing the surface expression of ligands for NK cell activating receptors. However, ligand downregulation and thus impaired NK cell recognition of BRAFi- treated melanoma cells could be counteracted by simultaneous application of the HDAC inhibitor, sodium butyrate, favoring combination therapy that in addition might combine the direct pro-apoptotic effects of both drugs towards melanoma cells. The third article demonstrates the evolution of melanoma cross-resistance to the pre- existing tumor-specific T cell repertoire during prolonged BRAFi treatment. While efficiently recognizing short-term (3, 7 days) BRAFi-treated melanoma cells, antigen- specific CD8+ T cells were less responsive towards long-term (14, 21 days) exposed tumor cells due to a time-dependent downregulation of target antigens. Thus, MAPKi strongly alters the tumor antigen expression profile over time favoring outgrowth of melanoma variants cross-resistant to both T cells and targeted therapy, suggesting that MAPKi treatment preceding T cell-based immunotherapy might be disadvantageous for melanoma treatment. Therefore, to induce long-lasting benefit and to avoid cross-resistance it seems reasonable to complement targeted therapy by an early sequential or simultaneous immunotherapy, but only if no genetic defects in IFN-γ signaling pathway and/or antigen presentation are present within the tumor.

Die BRAFV600E-Mutation, die in etwa 50 % der kutanen Melanome auftritt, bewirkt eine konstitutive Aktivierung des BRAF-MEK-ERK (MAPK)-Signalwegs und damit die Tumorproliferation. Ein schnelles und hohes klinisches Ansprechen kann durch die Anwendung von MAPK–Inhibitoren (MAPKi) wie BRAFi und MEKi, als Einzelwirkstoffe oder in Kombination, erreicht werden. Dennoch schreitet die Erkrankung bei der Mehrzahl der behandelten Patienten aufgrund von Resistenzen voran. Um das Langzeitüberleben von Patienten zu verbessern wird eine Kombination aus gezielter Therapie und Immun-Checkpoint-Blockade vorgeschlagen. Inwieweit BRAFi die Immunogenität des Melanoms über die Zeit beeinflussen kann, ist jedoch weitgehend unbekannt. Darüber hinaus zeigt ein beträchtlicher Teil der Patienten kein Ansprechen auf die Immun-Checkpoint- Blockade, was auf “immune escape”-Mechanismen hindeutet. Da IFN-γ bekanntermaßen eine essentielle Rolle bei der Tumorkontrolle durch CD8+ T-Zellen spielt, welche die Anti-Tumor-Effektoren in der immunmodulierenden Antikörpertherapie darstellen, war es das erste Ziel dieser Arbeit, Mechanismen zu untersuchen, die zur Insensitivität von Melanomzellen gegenüber IFN-γ beitragen. Das zweite Ziel bestand darin, die Auswirkungen der MAPK-Hemmung auf die Erkennung von humanen Melanomzellen durch autologe CD8+ T-Zellen und NK- Zellen zu untersuchen, um Erkenntnisse hinsichtlich der zugrundeliegenden Mechanismen zu gewinnen und Vorschläge zu möglichen Behandlungsstrategien für das maligne Melanom zu entwickeln. Dazu wurden mehrere Patientenmodelle bestehend aus Gewebe, korrespondierenden Zelllinien, autologen CD8+ T-Zellen und NK-Zellen verwendet. Der erste Artikel in dieser Arbeit zeigt, dass IFN-γ-resistente Melanomzell- Populationen im Krankheitsverlauf unter dem selektiven Druck einer wirksamen Anti- Tumor-Immunantwort bei Patienten, die verschiedene Arten von Immuntherapie erhalten, entstehen können. Dabei wurden der Verlust von chromosomalem Material und nachfolgende inaktivierende Mutationen in Genen des Typ II IFN-Signalwegs (z.B. JAK1, JAK2) als ursächlich für die Unempfindlichkeit von Melanomzellen gegenüber den antitumorigenen Eigenschaften von IFN-γ identifiziert. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass sich IFN-γ-resistente Zellen zu HLA Klasse I-negativen Populationen entwickeln können, in dem Gene, die an der Antigenpräsentation beteiligt sind, expressionell stillgelegt werden und nicht länger durch IFN-γ induziert werden können. Dieser Mechanismus kann dazu führen, dass Melanomzellen vollständig der Erkennung durch CD8+ T-Zellen entkommen, was immuntherapeutische Ansätze unwirksam machen würde. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass das Screening von Tumorläsionen auf genetische Defekte im IFN-γ- Signalweg bei der Auswahl von Patienten für eine Immuntherapie in Betracht gezogen werden sollte. Die zwei folgenden Veröffentlichungen befassen sich mit den Auswirkungen von MAPKi auf die Erkennung verschiedener Patienten-abgeleiteter Melanomzelllinien durch NK-Zellen und CD8+ T-Zellen. Der in der Arbeit vorgestellte Artikel II zeigt, dass bereits nach 2-3 Tagen unter BRAFi-Behandlung Melanomzellvarianten entstehen, die der Erkennung durch NK-Zellen entgehen, in dem sie die Oberflächenexpression von NK-Zell-aktivierenden Liganden stark reduzieren. Der Herabregulierung von Liganden und der dadurch verschlechterten Erkennung von BRAFi-behandelten Melanomzellen durch NK-Zellen konnte durch die gleichzeitige Anwendung des HDAC-Inhibitors, Natriumbutyrat, entgegengewirkt werden. Darüber hinaus können die pro-apoptotischen Eigenschaften von BRAFi und HDACi gegenüber Melanomzellen durch die immunologisch favorisierte Doppelbehandlung kombiniert werden. Der dritte Artikel demonstriert die Entwicklung einer Kreuzresistenz des Melanoms gegenüber dem bestehenden tumorspezifischen T- Zell-Repertoire im Verlauf einer BRAFi-Behandlung. Während die antigenspezifischen CD8+ T-Zellen kurzzeitig (3, 7 Tage) BRAFi-behandelte Melanomzellen effizient erkannten, zeigten sie eine eingeschränkte Reaktionsfähigkeit gegenüber langzeitexponierten (14, 21 Tage) Tumorzellen. Der Grund dafür war, die behandlungszeitabhängige Herunterregulation von Zielantigenen. Den Ergebnissen zu Folge verändert MAPKi das Expressionsprofil von Tumorantigenen über die Zeit der Behandlung stark und begünstigt das Auswachsen von Melanomvarianten, die sowohl gegen T-Zellen als auch gegen zielgerichtete Therapien resistent sind. Dies weist darauf hin, dass eine MAPKi- Behandlung, die der T-Zellen-basierten Immuntherapie vorangeht, für die Melanombehandlung nachteilig sein könnte. Um einen langfristigen Nutzen zu erzielen und eine Kreuzresistenz zu vermeiden, erscheint es daher sinnvoll, die gezielte Therapie durch eine frühe sequenzielle oder simultane Immuntherapie zu ergänzen, jedoch nur dann, wenn keine genetischen Defekte im IFN-γ-Signalweg und/oder in der Antigenpräsentation im Tumor vorliegen.

Cite

Citation style:
Pieper, N., 2019. Impact of IFN-γ resistance & MAPK inhibition on the immune surveillance of malignant melanoma - relevance for immune-based therapies. https://doi.org/10.17185/duepublico/47582
Could not load citation form.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export