Adoptive transfer of T cells transduced with an HLA-independent T-cell receptor against tyrosinase-related protein 2

Abstract

Adoptive T-cell receptor (TCR) therapy has shown promise in melanoma and other tumor types, but efficacy is often compromised when tumors evade detection by downregulating HLA class I molecules, impairing antigen presentation. Strategies that enable T-cell responses independent of classical HLA-mediated presentation are therefore needed, particularly in solid tumors, in which antigen loss and heterogeneity are major barriers. A promising target for TCR-based immunotherapy of melanoma is Tyrosinase-related protein 2 (TRP2). As a melanocyte differentiation antigen, TRP2 contributes to melanin biosynthesis and may have anti-apoptotic functions, while its restricted expression in normal tissues reduces the risk of off-tumor toxicity. Exploiting naturally occurring, HLA-independent TCRs against TRP2 offers a strategy to circumvent immune evasion through HLA downregulation while maintaining antigen-specific tumor recognition. In this dissertation, the efficacy and safety of a naturally occurring, HLA-independent αβ TCR against human and murine TRP2 were evaluated in vivo using xenograft and syngeneic melanoma models. The TCR, originally identified in a melanoma patient, was previously cloned, codon-optimized, and engineered with murine constant regions. In the xenograft model, NSG mice bearing HLA-deficient Ma-Mel-86b melanoma cells, either with endogenous TRP2 expression or virally transduced to overexpress TRP2, were treated with human anti-TRP2 TCR-T cells. Control mice received T cells transduced with either an HLA-A*02:01-restricted anti-NY-ESO-1 TCR or firefly luciferase alone. In the syngeneic model, C57BL/6 mice carrying murine melanoma cells (B78.H1) stably expressing human TRP2 received murine anti-TRP2 TCR-T cells with endogenous TCR α- and β-chains disrupted by CRISPR/Cas9 editing. In both models, tumor cells expressed NanoLuc luciferase, T cells expressed firefly luciferase, and IL-2 was given to support T-cell activity. Treatment efficacy was assessed by in vivo bioluminescence imaging, histology, and physical examination. Anti-TRP2 TCR-T cells consistently localized to tumors and persisted in vivo, eliminating TRP2-overexpressing tumors in both models while only delaying growth in natural TRP2-expressing tumors. Safety assessments revealed no systemic toxicity or relevant on-target, off-tumor effects. In the syngeneic model, localized vitiligo-like depigmentation occurred without evidence of internal organ toxicity. These results demonstrated the apparent safety and anti-tumor activity of the HLA-independent TRP2-specific TCR but also pointed to limited efficacy against naturally expressing tumors, likely due to inflammation-induced dedifferentiation and antigen downregulation. In vitro, the receptor tyrosine kinase inhibitor tivozanib preserved TRP2 expression under TNF-α- or IFN-γ-induced stress. Future studies will be needed to evaluate whether combining TCR therapy with tivozanib or other drugs that are able to reverse inflammation-induced dedifferentiation can improve control of tumors with natural TRP2 expression in vivo. In summary, this dissertation demonstrates in vivo anti-tumor activity and an apparent favorable safety profile of an HLA-independent TRP2-specific TCR. While tumors overexpressing TRP2 were effectively eliminated, efficacy against tumors with natural TRP2 expression was limited. More broadly, the results illustrated how HLA-independent TCRs bypass classical antigen presentation and may guide the development of safe and more versatile TCR therapies for solid tumors.

Die adoptive T-Zellrezeptor(TCR)-Therapie hat bei Melanomen und anderen Tumorarten vielversprechende Ergebnisse gezeigt, doch die Wirksamkeit wird häufig dadurch eingeschränkt, dass Tumoren der Erkennung entgehen, indem sie HLA-Klasse-I-Moleküle herunterregulieren und so die Antigenpräsentation beeinträchtigen. Daher werden Strategien benötigt, die T-Zellantworten unabhängig von der klassischen HLA-vermittelten Präsentation ermöglichen, insbesondere bei soliden Tumoren, bei denen Antigenverlust und -heterogenität zentrale Hürden darstellen. Ein vielversprechendes Ziel für die TCR-basierte Immuntherapie des Melanoms ist das Tyrosinase-related protein 2 (TRP2). Als Melanozyten-Differenzierungsantigen trägt TRP2 zur Melaninbiosynthese bei und kann antiapoptotische Funktionen besitzen, während seine eingeschränkte Expression in gesundem Gewebe das Risiko von Off-Tumor-Toxizitäten reduziert. Die Nutzung natürlich vorkommender, HLA-unabhängiger TCRs gegen TRP2 bietet eine Strategie, um Immunflucht durch HLA-Herunterregulation zu umgehen und gleichzeitig eine antigen-spezifische Tumorerkennung aufrechtzuerhalten. In dieser Dissertation wurden Wirksamkeit und Sicherheit eines natürlich vorkommenden, HLA-unabhängigen αβ-TCRs gegen humanes und murines TRP2 in vivo in Xenograft- und syngenen Melanommodellen untersucht. Der TCR, ursprünglich aus dem Blut einer Melanompatientin identifiziert, war zuvor kloniert, codonoptimiert und mit murinen Konstantregionen ausgestattet worden. Im Xenograft-Modell wurden NSG-Mäuse, die HLA-defiziente Ma-Mel-86b-Melanomzellen mit entweder endogener TRP2-Expression oder viraler TRP2-Überexpression trugen, mit humanen anti-TRP2-TCR-T-Zellen behandelt. Kontrollmäuse erhielten T-Zellen, die entweder mit einem HLA-A*02:01-restringierten anti-NY-ESO-1-TCR oder mit Firefly-Luciferase allein transduziert waren. Im syngenen Modell erhielten C57BL/6-Mäuse mit murinen Melanomzellen (B78.H1), die stabil humanes TRP2 exprimierten, murine anti-TRP2-TCR-T-Zellen, bei denen die endogenen TCR-α- und -β-Ketten mittels CRISPR/Cas9 ausgeschaltet worden waren. In beiden Modellen exprimierten die Tumorzellen NanoLuc-Luciferase, die T-Zellen Firefly-Luciferase, und IL-2 wurde zur Unterstützung der T-Zellaktivität verabreicht. Die Behandlungseffekte wurden mittels in vivo Biolumineszenzbildgebung, Histologie und körperlicher Untersuchung der Mäuse beurteilt. Anti-TRP2-TCR-T-Zellen lokalisierten sich konsistent an den Tumoren und persistierten in vivo. Sie eliminierten TRP2-überexprimierende Tumoren in beiden Modellen vollständig, verzögerten jedoch lediglich das Wachstum natürlich TRP2-exprimierender Tumoren. Untersuchungen zur Sicherheit der Therapie zeigten weder systemische Toxizität noch relevante on-Target, off-Tumor-Effekte. Im syngenen Modell trat eine lokalisierte, vitiligoartige Depigmentierung auf, ohne Hinweise auf Schäden innerer Organe. Diese Ergebnisse belegen die Sicherheit und anti-tumorale Aktivität des HLA-unabhängigen TRP2-spezifischen TCRs, weisen jedoch zugleich auf eine begrenzte Wirksamkeit gegenüber natürlich TRP2-exprimierenden Tumoren hin, vermutlich bedingt durch entzündungsinduzierte Dedifferenzierung und Antigen-Downregulation. In vitro konnte der Rezeptor-Tyrosin-Kinase-Inhibitor Tivozanib die TRP2-Expression unter TNF-α- oder IFN-γ-induziertem Stress stabilisieren. Zukünftige Studien sollten untersuchen, ob die Kombination von TCR-Therapie mit Tivozanib oder anderen Wirkstoffen, die entzündungsbedingte Dedifferenzierung rückgängig machen können, die Kontrolle natürlich TRP2-exprimierender Tumoren in vivo verbessert. Zusammenfassend zeigte diese Dissertation eine in vivo-antitumorale Aktivität sowie ein offenbar günstiges Sicherheitsprofil eines HLA-unabhängigen, TRP2-spezifischen TCRs. Während Tumoren mit TRP2-Überexpression wirksam eliminiert wurden, war die Wirksamkeit gegenüber natürlich TRP2-exprimierenden Tumoren begrenzt. Darüber hinaus verdeutlichen die Ergebnisse, wie HLA-unabhängige TCRs die klassische Antigenpräsentation umgehen und zur Entwicklung sicherer und vielseitigerer TCR-Therapien für solide Tumoren beitragen können.