Authors:	Vormehr, Mathias
Title:	Mutated neo-antigens as targets for individualized cancer immunotherapy
Online publication date:	13-Jun-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Carcinogenesis is largely driven by somatic gene mutations. Accumulating evidence suggests that a significant subset of mutations result in neo-epitopes recognized by tumor-specific T cells and thus may constitute the Achilles' heel of malignant cells. T cells directed against mutations have been shown to have a key role in spontaneous immune responses against cancer and in the clinical efficacy of potent cancer immunotherapy modalities, such as adoptive transfer of autologous tumor infiltrating lymphocytes and immune checkpoint inhibitors. Whereas these findings strengthen the idea of a prominent role of neo-epitopes in tumor rejection, the systematic therapeutic exploitation of mutations was hampered until recently by the uniqueness of the repertoire of mutations (“the mutanome”) in every patient’s tumor. Our group pioneered to set up a process for an individualized immunotherapy approach to target the full spectrum of a patient’s personal tumor-specific mutations by combination of exome and transcriptome sequencing, bioinformatic target identification and selection followed by RNA based tumor vaccination. In this thesis, it was shown that tumor mutations, in particular single nucleotide variations (SNVs), insertions, deletions (indels) and gene fusions are frequently immunogenic. Moreover, it was demonstrated for the first time that SNVs are predominantly recognized by CD4+ T cells. Neo-epitopes can be targeted by customized RNA-based monotope or poly-neo-epitope vaccines with substantial therapeutic effects in mouse tumor models. Notably, CD4 neo-epitope vaccination was shown to positively affect the tumor microenvironment of the CT26 colon carcinoma by decreasing the ratio of FoxP3+ regulatory T cells to CD4+ T cells and augmenting CD4+ and CD8+ T-cell infiltration. In addition, anti-tumoral efficacy of neo-epitope specific CD4+ T cells in CT26 colon carcinoma tumors was shown to critically depend on CD8+ T cells and CD40L signaling. CD40-CD40L interaction between activated CD4+ T cells and dendritic cells (DCs) mediates the upregulation of costimulatory molecules on DCs which in turn supports the priming of naive, tumor specific CD8+ T cells. A meta-analysis revealed that immunogenic SNVs and indels have a significantly better binding prediction for MHC class II than their non-immunogenic counterparts. Vaccination against mutations selected for favorable MHC class II binding prediction and abundant mutated mRNA expression resulted in tumor-control without prior immunogenicity testing. The preclinical data shown here for three different mouse tumor models established the feasibility of individualized cancer vaccines and raised hopes that this concept will be effective in humans as well. This study paved the way and directly influenced the design of clinical studies in melanoma and triple-negative breast cancer patients. Somatische Genmutationen sind eine Hauptursache der Karzinogenese. Darüber hinaus häufen sich Hinweise, dass eine signifikanter Anteil von Mutationen zu Neo-Epitopen führen, die von tumorspezifischen T-Zellen erkannt werden und daher die Achillesferse maligner Zellen darstellen könnten. Mutationsspezifische T-Zellen spielen eine Schlüsselrolle in der spontanen Immunantwort gegen Krebs und in der klinischen Wirksamkeit erfolgreicher Immuntherapien wie dem adoptiven Transfer von tumorinfiltrierenden T-Zellen oder Immun-Checkpoint-Inhibitoren. Obgleich diese Erkenntnisse die Idee einer prominenten Rolle von Neo-Epitopen in der Abstoßung von Tumoren stärken, war eine therapeutische Nutzung bis vor kurzem durch die Einzigartigkeit des Mutatiosrepertoires (“Mutanom”) in jedem individuellen Tumor eingeschränkt. Unsere Gruppe konnte erstmals einen Prozess für eine individualisierte Immuntherapie etablieren, der das volle Spektrum tumorspezifischer Mutationen eines jeden Patienten adressiert. Mittels Exom- und Transkriptom-Sequenzierung sowie bioinformatischer Mutationsidentifizierung und Selektion wird das Mutanom eines Patienten bestimmt und durch eine RNA basierte Impfung targetiert. Diese Arbeit zeigt, dass Tumormutationen, insbesondere einzelnukleotid Variationen (SNVs), Insertionen, Deletionen (Indels) und Genfusionen häufig immunogen sind. Zudem wird zum ersten mal demonstriert, dass SNVs hauptsächlich von CD4+ T-Zellen erkannt werden. Neo-Epitope können durch eine maßgeschneiderte RNA-basierte Monotop- oder Poly-Neo-Epitop-Vakzine adressiert werden, die einen bedeutenden therapeutischen Effekt in murinen Tumoren hervorruft. Es konnte gezeigt werden, dass eine CD4 Neo-Epitop-Vakzinierung das Tumormikromilieu des CT26 Kolonkarzinoms durch Reduzierung des Verhältnisses von suppressiven FoxP3+ regulatorischen T-Zellen zu CD4+ T-Zellen und durch Steigerung der CD4+ und CD8+ T-Zellinfiltration positiv beeinflusst. Zudem wurde gezeigt, dass der antitumorale Effekt mutationsspezifischer CD4+ T-Zellen entscheidend von CD8+ T-Zellen und CD40L Signalisierung abhängt. Der CD40-CD40L Singalweg zwischen aktivierten CD4+ T-Zellen und dendritischen Zellen (DCs) führt zur Hochregulierung kostimulatorische Moleküle auf DCs das wiederum das Priming naiver, tumorspezifischer CD8+ T-Zellen fördert. Eine Metaanalyse konnte zeigen, dass immunogene im Vergleich zu nicht-immunogenen SNVs sowie Indels eine signifikant bessere Bindungsvorhersage für MHC-Klasse-II haben. Vakzinierung gegen Mutationen mit prädizierter MHC-Klasse-II Bindung sowie hoher Expression von mutierter mRNA im Tumor führte zu einem antitumoralem Effekt ohne einer vorherigen Immunogenitätstestung. Die hier gezeigten präklinischen Studien in drei verschiedenen Maus-Tumormodellen beweißen die Durchführbarkeit einer individualisierten Krebsvakzine und wecken Hoffnungen, dass dieses Konzept ebenfalls bei Menschen erfolgreich sein wird. Diese arbeit bereitete den Weg und beeinflusste das Design von klinischen Studien in Melanom- und dreifach negativen Brustkrebspatienten.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4050
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005198
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	95 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen