Authors:	Bülbül, Yagmur
Title:	Charakterisierung einer neuartigen T-Zell-Stimulation durch humane neutrophile Granulozyten
Online publication date:	29-Sep-2021
Year of first publication:	2021
Language:	german
Abstract:	Die Immuntherapie zur Behandlung von Tumorerkrankungen gilt als Durchbruch in der Medizin und stellt neben der Chemotherapie, der Bestrahlung und der Chirurgie eine weitere Therapiesäule dar. Dennoch bleiben maligne Tumorerkrankungen aufgrund ihrer sogenannten „Tumor Evasions-Mechanismen“ schwer therapierbar. Die Expression des Arginin-hydrolysierenden Enzyms Arginase 1 stellt einen dieser Evasions-Mechanismen dar. Myeloische Zellen, die vom Tumor rekrutiert werden, exprimieren Arginase 1 und depletieren konsekutiv Arginin im Tumormilieu. Da T Zellen suffiziente Mengen der Aminosäure Arginin benötigen, um bei Aktivierung ihre Funktionen ausüben zu können, werden sie im Tumorgewebe durch den Argininmangel stark inhibiert. Zu den von Tumoren rekrutierten myeloischen Zellen zählen insbesondere auch polymorphkernige neutrophile Granulozyten (PMN), die eine konstitutive Arginase 1 Expression aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Effekte der Arginase-Inhibition humaner PMN auf aktivierte T-Zellen untersucht. Dabei wurde erstmalig ein stark immunstimulierender Effekt von PMN auf T-Zellen beschrieben, wobei hohe PMN-Dichten und eine ausreichende Argininkonzentration erforderlich waren. Letzteres wurde entweder durch die Inhibition der Arginase 1 mit nor-NOHA oder INCB001158, oder mit der Supplementierung ausreichender Mengen Arginin gewährleistet. Die Charakterisierung des PMN-Überstandes (PMN-ÜS) zeigte, dass der immunstimulierende Faktor ein Molekulargewicht < 3 kDa aufweist, stark hydrophil und sehr hitzestabil ist. Erste Auswertungen der Metabolomanalysen der PMN-ÜS deuteten darauf hin, dass es sich bei der gesuchten Substanz um Dipeptide oder Aminosäurederivate handeln könnte. Diese Ergebnisse werden in laufenden Follow-up Experimenten näher untersucht. Durch die immunstimulierende Hyperaktivierung von T-Zellen konnten bis zu 20-fach höhere Proliferationswerte bei deutlich verbesserter Viabilität beobachtet werden. Eine ausgeprägt aktivierte Morphologie dieser T-Zellen war assoziiert mit einem stark erhöhten Metabolismus, sowohl der oxidativen Phosphorylierung wie auch der aeroben Glykolyse. Des Weiteren konnte eine verstärkte Synthese von Interleukin-5 (IL-5), IL 9 und IL-17 beobachtet werden. Hyperaktivierte T Zellen zeigten eine schnellere und stärkere anti-tumorale Zytotoxizität als konventionell aktivierte T-Zellen. Diese Beobachtungen konnten zusätzlich mittels Proteomanalyse hyperaktivierter T-Zellen bestätigt werden: erste Auswertungen dieser Daten zeigten eine erhöhte Expression von Proteinen, die an Zellteilung und Zellzyklus, sowie der Biosynthese und dem Metabolismus von Aminosäuren in hyperaktivierten T-Zellen beteiligt sind. Von großer klinisch-translationaler Bedeutung ist auch, dass anerge und seneszente T-Zellen von Patienten mit Multiplem Myelom durch die PMN-sezernierte immunstimulierende Aktivität unter gleichzeitiger Arginase 1-Inhibition sehr stark (re-)aktiviert werden konnten. Diese Beobachtung könnte eine wichtige Ergänzung für Immuntherapien werden, da die durch myeloische Suppressorzellen herbeigeführte T-Zellanergie ein häufig auftretendes Problem für die Anwendung einer Immuntherapie darstellt. So wird ein Arginase-Inhibitor als neuartiges Therapeutikum zur Inhibition der Tumor-induzierten Immunevasion aktuell bereits in frühen klinischen Studien evaluiert. Immunotherapy for the treatment of tumor diseases is considered a breakthrough in medicine and represents a further therapeutic pillar alongside chemotherapy, radiation and surgery. Nevertheless, malignant tumors remain difficult to treat due to their so-called "tumor evasion mechanisms". Expression of the arginine-hydrolyzing enzyme arginase 1 represents one of these evasion mechanisms. Myeloid cells recruited by the tumor express arginase 1 and consecutively deplete arginine in the tumor milieu. Since T cells require sufficient amounts of the amino acid arginine to exert their various functions upon activation, they are severely inhibited in tumor tissue by arginine deficiency. These circumstances finally induce T cells which become increasingly senescent or exhausted. Myeloid cells recruited by tumors include polymorphonuclear neutrophil granulocytes (PMN), which exhibit constitutive arginase 1 expression. In the present work, the effects of arginase inhibition of human PMN on activated T cells were investigated. Here, for the first time, a strong immunostimulatory effect of PMN on T cells was described, requiring high PMN densities and sufficient arginine concentration. The latter was ensured either by inhibition of arginase 1 with nor-NOHA or INCB001158, or with supplementation of sufficient amounts of arginine. Characterization of the PMN supernatant (PMN-SN) showed that the immunostimulatory factor has a molecular weight < 3 kDa, is highly hydrophilic, and is very heat stable. Preliminary evaluations of the metabolomic analyses of PMN-SN indicated that dipeptides or amino acid derivatives potentially qualify as the unknown hyperactivating substance. These results are being further investigated in ongoing follow-up experiments. Immunostimulatory hyperactivation of T cells resulted in up to 20-fold higher proliferation levels with significantly improved viability. A markedly activated morphology of these T cells was associated with a strongly increased metabolism, both of oxidative phosphorylation and aerobic glycolysis. Furthermore, enhanced interleukin-5 (IL-5), IL-9, and IL-17 synthesis was observed. Hyperactivated T cells showed a faster and stronger anti-tumor cytotoxicity than conventionally activated T cells. These observations were further confirmed by proteomic analysis of hyperactivated T cells: initial analysis of these data showed increased expression of proteins involved in cell division and cell cycle, as well as biosynthesis and metabolism of amino acids in hyperactivated T cells. It is also of great clinical-translational importance that anergic and senescent T cells from multiple myeloma patients could be very strongly (re-)activated by PMN-secreted immunostimulatory activity under concomitant arginase 1 inhibition. This observation could become an important adjunct for immunotherapies, as T-cell anergy induced by myeloid-derived suppressor cells is a common problem for the application of immunotherapy. Thus, an arginase inhibitor is currently being evaluated as a novel therapeutic agent for inhibition of tumor-induced immune evasion in early clinical trial.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 610 Medizin 610 Medical sciences
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-6355
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-704fcfea-0fe5-4bbe-8a2f-7f953582dd5a7
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	182 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen