Authors:	Bartneck, Joschka Matthias
Title:	Characterizing the tumor microenvironment upon transcutaneous immunization by single-cell RNA-sequencing - implications for cancer immunotherapy
Online publication date:	1-Aug-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	The treatment of cancer diseases is one of the greatest challenges for modern medicine. In addition to conventional cancer therapy approaches, cancer immunotherapy has been gaining importance for more than two decades. In this context, the use of cancer vaccines that induce the formation of high-quality tumor-specific T cells is a promising tool that is now being intensively researched. Therapeutic approaches are needed that specifically sensitize the host immune system to the tumor and are able to specifically address targets in the complex immune-inhibitory network of the tumor microenvironment, a major obstacle affecting the efficiency of immunotherapeutic approaches. The transcutaneous immunization method developed in the research group of Prof. Dr. Markus Radsak enables the generation of antigen-specific CD8+ and CD4+ T cells by activating skin tissue-resident antigen-presenting cells. With the aim of first optimizing the memory T cell response, the frequency of antigen-specific activated T cells was massively increased in the present work by multiple TCI. The optimized Dithranol-Imiquimod-based transcutaneous immunization (DIVA2) enabled protection against MC38mOVA tumor cells in a prophylactic tumor setting. Applied in a therapeutic Tumor setting, DIVA2 resulted in transient tumor immune control. High-dimensional flow cytometry analysis and single-cell mRNA-sequencing of tumor-infiltrating leukocytes showed that DIVA2-induced cytotoxic CD8+ T cells facilitate initial tumor immune control, but are inhibited by immunosuppressive CCR2+ PD L1+ monocyte-derived myeloid-derived suppressor cells (M-MDSC), resulting in partial T-cell exhaustion. Furthermore, CD38 expression by macrophages during immune control implicated production of the immunosuppressive adenosine. Anti-CCR2 antibody-based depletion of CCR2+ monocytes in the tumor experiment highlighted their immunosuppressive nature, but could not persistently limit tumor growth as depletion could not be continuously ensured. The use of the immune checkpoint inhibitor anti-PD-1 enabled a strong regression of the tumors in a therapeutic tumor setting, which illustrates the immunosuppressive role of the PD-1/PD-L1 axis in the tumor microenvironment of MC38mOVA tumors after initial DIVA2-induced immune control. In summary, the present work provides a platform for generating a strong antigen-specific primary and memory T cell immune response using the optimized transcutaneous immunization method DIVA2. This enables protection against tumor cells and transient therapeutic immune control of solid tumors. For a successful therapeutic elimination of tumors, the identification of specific immune targets is necessary. Die Behandlung von Krebs-Erkrankungen ist eine der größten Hürden für die moderne Medizin. Neben den konventionellen Krebstherapieansätzen gewinnt die Krebsimmuntherapie seit mehr als zwei Jahrzehnten an Bedeutung. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz von Krebsimpfstoffen, die die Bildung hochwertiger Tumor-spezifischer T-Zellen induzieren, ein vielversprechendes Instrument, das inzwischen intensiv erforscht wird. Es werden therapeutische Ansätze benötigt, die das Wirtsimmunsystem spezifisch für den Tumor sensibilisieren und in der Lage sind, gezielt Strukturen im komplexen immunsupprimierenden Netzwerk des Tumor Mikromilieus anzusprechen, ein Haupthindernis für effiziente Immuntherapie. Die in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Markus Radsak entwickelte transkutane Immunisierungsmethode ermöglicht durch die Aktivierung Hautgewebs-residenter Antigen-präsentierender Zellen die Entstehung antigenspezifischer CD8+ und CD4+ T Zellen. Mit dem Ziel die T-Gedächtniszell-Antwort zunächst zu optimieren, wurde in der vorliegenden Arbeit durch mehrfache TCI die Frequenz Antigen-spezifischer aktivierter T-Zellen massiv gesteigert. Die optimierte Dithranol-Imiquimod-basierte transkutane Immunisierung (DIVA2) ermöglichte eine Protektion gegen MC38mOVA Tumorzellen in einem prophylaktischen Tumorversuch. Bei therapeutischer Anwendung ermöglichte DIVA2 eine transiente Tumorimmunkontrolle. Hochdimensionale Durchflusszytometrie-Analysen und Einzel-Zell-mRNA-Sequenzierung Tumor-infiltrierender Leukozyten zeigten, dass DIVA2-induzierte cytotoxische CD8+ T-Zellen die initiale Tumorimmunkontrolle ermöglichen, jedoch durch immunsuppressive CCR2+ PD-L1+ Monozyten-abstammende myeloide Suppressorzellen (M-MDSC) inhibiert werden, was in Teilen zu T-Zell Exhaustion führte. Ferner implizierte die CD38-Expression von Makrophagen während der Immunkontrolle die Produktion des immunsuppressiven Adenosins. Die anti-CCR2 Antikörper-basierte Depletion CCR2+ Monozyten im Tumorexperiment verdeutlichte deren immunsuppressiven Charakter, konnte das Tumorwachstum jedoch nicht anhalten einschränken, da die Depletion nicht fortwährend sichergestellt werden konnte. Der therapeutische Einsatz des Immun-checkpoint Inhibitors anti-PD-1 ermöglichte eine starke Regression der Tumore, was die suppressive Rolle der PD 1/PD-L1 Achse im Tumor Mikromilieu nach initialer DIVA2-induzierter Immunkontrolle verdeutlicht. Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit mit der optimierten transkutanen Immunisierungsmethode DIVA2 eine Plattform zur Generierung einer starken antigen-spezifischen Primär- und T Gedächtniszell Immunantwort. Diese ermöglicht Protektion gegen Tumorzellen und eine transiente therapeutische Immunkontrolle solider Tumoren. Für eine erfolgreiche therapeutische Eliminierung der Tumoren ist die Identifizierung spezifischer Immun-Targets notwendig.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 570 Biowissenschaften 570 Life sciences 610 Medizin 610 Medical sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9294
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-db1b5210-02e3-4d70-b6d6-105b31e012b51
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	98, XXVII Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen