Polymer-induced tumor immunotherapy by in situ activation of antigen-presenting cells

Abstract

Cancer is one of the most common diseases with a global incidence of 20 million people, responsible for 10 million deaths in 2020. The tendency is increasing. Normally, our immune system recognizes mutated cells and eliminates them. Cancer cells, however, are able to develop escape strategies that interfere with their elimination. Cancer immunotherapies aim at reinstalling the inherent capacity of immune cells to recognize and eliminate tumor cells. To induce a tumor-specific immune response able to eliminate cancer cells in the presence of an immunosuppressive tumor microenvironment, we established an immune stimulating and antigen-presenting nanoparticle (NP) platform. The NPs are decorated with ovalbumin (OVA) as model antigen and 1-(4-(aminomethyl)- benzyl)-2-butyl-1H-imidazo[4,5-c]quinolin-4- amine (IMDQ) as an immune stimulatory TLR7/8 agonist. They are characterized by pH sensitivity, well toleration and safety for intravenous injection. To analyze the potential of our NPs in vivo, we inoculated B16-F10 or MC38 tumor cells either expressing membranous or cytosolic bound OVA or without expressing the antigen as control subcutaneously in the flank of C57BL/6 wild-type mice. When the tumor was pulpable with a size of about 0,25 mm3 mice were vaccinated intravenously three times (on day 3, 5 and 7) with our nanogel to develop an immune response against our model antigen OVA in a therapeutic setting. Every two days we measured the tumor volume and once a week we took blood from the mice to determine the antibody titer. After approximately two weeks we sacrificed the mice and analyzed the immune responses concerning cytokines, T cell and B cell production. Furthermore, we analyzed the sera, splenocytes and lymphocytes from the mice via flow cytometry. We could show that our NP therapy was able to reduce the tumor growth in two different tumor models. The particles provided an antigen specific tumor immunity by inducing a Th1-mediated immune response and a high production of CD8+ T cells. These results were also confirmed by single cell RNA analysis. Further evaluation and experiments are needed to decipher the differences in the T cell response and the role of the involvement of B cells in combination with T cells in the different models.

Krebs ist noch immer eine der häufigsten Krankheiten mit einer weltweiten Inzidenz von 20 Millionen Menschen. Im Jahr 2020 war Krebs für über 10 Millionen Todesfälle verantwortlich. Die Tendenz ist steigend. Eine Ursache für die Entstehung von Krebs ist, dass unser Immunsystem entartete Zellen nicht mehr erkennen und zerstören kann. Tumorzellen sind in der Lage die natürlichen Kontrollsysteme des menschlichen Körpers zu übergehen und sich somit einer Eliminierung zu entziehen. Krebsimmuntherapien zielen darauf ab, diese schützenden Mechanismen des Immunsystems wieder zu reaktivieren, sodass eine aktive antitumorale Antwort gewährleitet werden kann. Um diesen Ansatz zu verfolgen und eine tumorspezifische Immunantwort auszulösen, die in der Lage ist, Krebszellen in Gegenwart einer immunsuppressiven Tumormikroumgebung zu eliminieren, haben wir eine immunstimulierende und Antigen-präsentierende Nanopartikel-Plattform (NP) entwickelt. Die NPs sind mit Ovalbumin (OVA) als Modellantigen und 1-(4-(Aminomethyl)-benzyl)-2-butyl- 1H-imidazo[4,5-c]chinolin-4-amin (IMDQ) als immunstimulierender TLR7/8-Agonist funktionalisiert. Sie zeichnen sich durch pH-Sensivität und gute Verträglichkeit aus. Zudem können sie ohne Bedenken intravenös appliziert werden. Um das Potenzial unserer NPs in vivo zu analysieren wurden C57BL/6 Wildtyp Mäusen Tumorzellen subkutan appliziert. Entweder MC38 oder B16-F10 Zellen ohne Antigen, als Kontrolle oder mit OVA-modifizierte Zellen, welche das Antigen entweder auf der Membran oder im Zytosol exprimierten. Bei einer Tumorgröße von etwa 0,25 mm3 wurden die Tiere dreimal an den Tagen 3, 5 und 7 durch die intravenöse Gabe der Partikel behandelt. Alle zwei Tage wurde das Tumorvolumen gemessen und einmal pro Woche wurde den Mäusen Blut abgenommen, um den Antikörpertiter zu bestimmen. Nach etwa zwei Wochen wurden die Mäuse euthanasiert und die Immunreaktionen in Bezug auf Zytokine, T-Zell- sowie B-Zell- Produktion analysiert. Mit der Reihe unserer Experimente konnten wir zeigen, dass unsere Nanopartikel Therapie in der Lage war, das Tumorwachstum in zwei unterschiedlichen Tumormodellen zu reduzieren. Die Partikel sorgten für eine antigenspezifische Tumorimmunität, indem sie eine Th1- vermittelte Immunantwort und eine hohe Produktion von CD8+ T-Zellen induzierten. Diese Ergebnisse konnten wir auch durch Einzelzell-RNA-Analysen bestätigen. Es bedarf weiterer Auswertung und Versuche um die Unterschiede in der T-Zell Antwort, sowie die Rolle der Beteiligung von B- in Kombination mit T-Zellen in den unterschiedlichen Modellen zu entschlüsseln.