EXCEL - Forschungsprojekte
Die Rolle chronischer Inflammation in der Entstehung hämatologischer Neoplasien
Obwohl in den vergangenen 10 Jahren zahlreiche genetische Veränderungen bei Patienten mit Myeloproliferativen Neoplasien (MPN) beschrieben wurden, ist die molekulare Ätiologie dieser heterogenen Erkrankungen noch unzureichend verstanden. Beispielsweise tragen rund 50% aller Patienten mit einer primären Myelofibrose (PMF) eine Mutation im JAK2 Gen, JAK2V617F, welche zu einer konstitutiven Aktivität dieser Kinase führt. Vor Kurzem wurde der erste JAK2-Inhibitor, Ruxolitinib (Jakavi®) für die Therapie von PMF Patienten zugelassen. Erstaunlicherweise zeigt er jedoch sowohl bei Patienten mit als auch ohne JAK2V617F Mutation die selbe Wirksamkeit. Da PMF Patienten stark erhöhte Serum-Spiegel inflammatorischer Zytokine aufweisen, und Ruxolitinib ebenfalls die JAK1 Kinase hemmt, wird postuliert, dass ein inflammatorisches Milieu in der Knochenmarks-Niche, welches durch Ruxolitinib unterbunden würde, entscheidend zur Ätiologie der MPN beiträgt. Die AG Pahl hat in Vorarbeiten gezeigt, dass chronische Inflammation in einem Maus-Modell (ITCH-/- Mäuse) ausreicht, um, auch ohne JAK2-Mutation, eine MPN hervorzurufen.
Hypothese: Chronische Inflammation der Knochenmarks-Niche, welche hinreichend ist, um eine Myeloproliferation zu initiieren und zu unterhalten, führt zur Akkumulation somatischer Mutationen, die eine MPN verursachen.
Die Rolle des PD-L1 in der Therapie hämatologischer Neoplasien
Die akute Graft-versus-host Erkrankung (GvHD) ist eine wesentliche Komplikation bei Patienten, die aufgrund ihrer Leukämie eine allo-HCT (hämatologische Stammzelltransplantation) erhalten. Hierbei greifen transplantierte Immunzellen Gewebe des Patienten an und können bis zum Tode führende Schäden hervorrufen. Ein besseres Verständnis der Entstehung der Erkrankung sowie der daran beteiligten Zellpopulationen könnte das Überleben von Patienten nach allo-HCT verbessern. Es gibt Hinweise darauf, dass der Gastrointestinaltrakt ein zentraler Ort für die Entstehung der GvHD ist. Unsere vorläufigen Daten zeigen, dass es nach allo-HCT im Gastrointestinaltrakt zur Freisetzung von proinflammatorischen Adenosintriphosphat (ATP) kommt und dass eine Infiltration durch verschiedene Zellen der sog. angeborenen Immunität nachgewiesen werden kann. Inwiefern diese Zellpopulationen zur GvHD beitragen und sich gegenseitig beeinflussen ist bisher nicht geklärt. Die Untersuchungen im Mausmodel sollen durch Gewebeanalysen von Patienten, die allogen transplantiert wurden, ergänzt werden und somit die mögliche klinische Relevanz evaluieren.
Hypothesen: Es werden 2 Hypothesen getestet: A: Die Freisetzung von Chemokinen durch die präsentierenden Zellen führt zur Rekrutierung von Spender-T Zellen in den Gastrointestinaltrackt. B: Die Bildung von reaktiven Sauerstoffverbindungen durch neutrophile Granulozyten und die damit verbundene Gewebeschädigung tragen direkt zur intestinalen GvHD bei.
JAK/STAT- und T-Zell-Rezeptor Signalwege als therapeutische Targets für die Behandlung von T-Zell-Lymphomen und paraneoplatischer inflammatorischer Phänomene
Periphere T-Zell-Lymphome (PTCL-NOS), angioimmunoblastische T-Zell-Lymphome und Sézary-Syndrome sind hoch aggressive maligne Erkrankungen mit sehr schlechter Prognose. Resistenzen gegen Standard-Chemotherapien und das Fehlen zielgerichteter Therapieansätze bedingen eine 5-Jahresüberlebensrate von unter 30 %. In Vorarbeiten entwickelte die AG Dierks Mausmodelle, die T-Zell Lymphomerkrankungen des Menschen rekapitulieren (Xenografts, transgene Modelle und Knochenmarktransplantationsmodelle). Unter anderem kann durch die Überexpression des ITK-SYK Onkogens in T-Zellen von Mäusen ein peripheres T-Zell Lymphom mit massiver paraneoplastischer Inflammation ausgelöst werden. Die maligne T-Zell-Population weißt in diesem Modell, aber auch in verschiedenen humanen Xenograftmodellen eine konstitutive Aktivierung des JAK/STAT- und des T-Zell-Rezeptor (TCR)-Signalwegs auf, welche durch Mutationen, Translokationen oder Stimuli aus dem, die Lymphom-Zellen umgebenden, Mikromilieu gesteuert werden. Der JAK/STAT Signalweg ist nicht nur in den T-Zellen aktiviert, sondern aufgrund der massiven Zytokinsekretion auch in den umgebenden inflammatorischen Effektorzellen, wie Granulozyten und Makrophagen. Interessanterweise zeigen erste Experimente in ITK-SYK Mäusen, dass die Inhibition des JAK/STAT Signalwegs durch den Tyrosinkinaseinhibitor Ruxolitinib die Entstehung einer letalen Erkrankung in einem ITK-SYK-getriebenen PTCL-Modell unterdrücken und den inflammatorischen Phänotyp vollständig aufheben kann. Auch eine direkte Inhibition der Granulozyten führt zur Unterdrückung des inflammatorischen Phänotyps und zu einer signifikanten Verlängerung des Überlebens.
Hypothese: Die Inhibition des JAK/STAT- oder des TCR-Signalwegs in Patienten mit PTCL oder Sézary-Syndrom reduziert die Organinfiltration mit malignen T-Zellen und verbessert den inflammatorischen Phänotyp und stellt somit eine vielversprechende Therapieoption dar.
Charakterisierung der tumorspezifischen CD8+ T-Zellantwort bei Patienten mit HCC
Das HCC ist weltweit einer der häufigsten bösartigen Tumoren. Da die meisten HCC verzögert entdeckt werden und die oftmals zu Grunde liegende Leberarchitekturstörung die therapeutischen Möglichkeiten limitiert, ist die Behandlung der Erkrankung nach wie vor schwierig und die Prognose ungünstig. Die mediane Überlebenszeit ohne Therapie liegt bei etwa 6 Monaten. Der tumorspezifischen Immunantwort wird eine wichtige Rolle in der Entstehung und Progression des HCC zugeschrieben. So konnte die AG Thimme in Vorarbeiten zeigen, dass eine starke und multispezifische CD8+ T-Zellantwort gegen verschiedene Tumorantigene mit einem besseren Langzeitüberleben assoziiert ist. Interessanterweise weisen die tumorspezifischen CD8+ T-Zellantworten aber Defekte in ihren Funktionen, insbesondere der Proliferation und Zytokinproduktion im Vergleich zu virusspezifischen CD8+ T-Zellen der gleichen Patienten auf. Die Mechanismen für das tumorspezifische CD8+ T-Zellversagen sind noch nicht komplett verstanden, aber den inhibitorischen Rezeptoren, wie z.B. PD-1, die auch schon klinisch in Phase I- und Phase II-Studien beim HCC eingesetzt werden, wird hier eine wichtige Rolle in der Unterdrückung der CD8+ T-Zellantwort zugeschrieben.
Hypothese: Die Expression inhibitorischer Rezeptoren auf tumorspezifischen CD8+ T-Zellantworten trägt zum funktionellen Versagen der tumorspezifischen Immunantwort bei und stellt einen wichtigen therapeutischen Ansatz zur Therapie des HCCs dar.
Funktionelle Modulation HCC-spezifischer CD4 T-Zellantworten durch OX40 Stimulation und PD-1 Blockade
Checkpoint Inhibition, wie z.B. die Blockade der PD-1 oder CTLA-4 Signalwege, ist bei unterschiedlichen Tumorentitäten bereits klinische Praxis, zum Teil auch mit synergistischen Effekten in der Kombinationstherapie. OX40 (CD134) ist ein kostimulatorisches Molekül, welches von entscheidender Bedeutung für eine effektive Immunantwort ist. Eigene Vorarbeiten der AG Böttler konnten zeigen, dass OX40 die Aufrechterhaltung der antiviralen CD4 T-Zellantwort in einem Mausmodell einer chronischen Virusinfektion vermittelt. Insbesondere follikuläre T-Helferzellen (Tfh-Zellen), spezialisierte CD4 T-Zellen welche B-Zell-Hilfe leisten, sind in ihrer Differenzierung und Funktion auf OX40 Signale angewiesen. Weiterhin konnte in noch nicht publizierten Daten gezeigt werden, dass die simultane OX40-Stimulation verbunden mit einer PD-1 Blockade zu einer Stärkung der humanen Antigen-spezifischen CD4 T-Zellantwort gegen diverse virale Antigene führt. Daher soll untersucht werden ob OX40, in Kombination mit PD-1, auch in der Therapie des HCC eine mögliche Zielstruktur darstellt.
Hypothese: Die Stimulation von OX40, in Kombination mit therapeutischer Check-point Blockade, verbessert die Tumor-spezifische CD4 T–Zellantwort bei Patienten mit HCC.
Einfluss der B-Zellen auf die Tumor-spezifische CD8+ T-Zellantwort beim HCC
Hinsichtlich der Therapie eines HCCs stellt die operative Resektion eine kurative Therapieoption dar. Aufgrund der zentralen Bedeutung des immunologischen Tumormikromilieus für die langfristige Prognose nach HCC-Resektion, laufen derzeit parallel Projekte, die zelluläre Subtypen der Tumor-infiltrierenden Immunzellen und deren spezifische Funktion untersuchen. Diese umfassende Betrachtung des Tumormikromilieus wird es erlauben, spezifische Immuntherapie zu entwickeln und auch bei Patienten anzuwenden. Hierfür werden HCC-infiltrierende Immunzellen aus Operationspräparaten isoliert und hinsichtlich der Antigenexpression durchflusszytometrisch analysiert. Funktionelle Analysen werden in Ko-Kultur von Subtypen der Immunzellen mit HCC-Tumororganoiden durchgeführt. Zu den laufenden Projekten gehören die Analyse der Antigen-präsentierenden Zellen, der funktionellen Subtypen von T-Helfer-Lymphozyten und die weitere Aufarbeitung zytotoxischer T-Lymphozyten und zytotoxischer Zellen des angeborenen Immunsystems. Bezugnehmend auf die zytotoxische Aktivität CD8+CD62L-KLRG1+CD107a+ Effector Memory Lymphozyten werden derzeit die Mechanismen der Immunevasion durch die Interaktion von HCC-Tumorzelle mit zytotoxischen Zellen untersucht mit dem Ziel die spezifischen Checkpoint-Antigene (PD-1, CTLA-4, GITR, 4-IBB, OX4-O und TIGIT) exakt zu determinieren. Hier ergeben sich enge Kooperationen mit den Arbeitsvorhaben P4 und P5.
Hypothesen: A: Spezifische Subgruppen von HCC-infiltrierenden B-Lymphozyten beeinflussen die Differenzierung von CD8+CD62L-KLRG1+CD107a+ Effector Memory Lymphozyten und erhöhen die Antigen-spezifische Zytotoxizität gegen HCC. B: Von B-Lymphozyten produzierte humorale Faktoren vermitteln diesen Effekt auf die Differenzierung von CD8+CD62L-KLRG1+CD107a+ Effector Memory Lymphozyten.
Abskopale Effekte der lokalen Strahlentherapie in Kombination mit Immuntherapie beim metastasierten malignen Melanom und HCC
In den letzten Jahren stellte sich heraus, dass bestimmte Formen lokaler Strahlentherapie immunstimulierend wirken können. So zeigten präklinische Studien, dass hypofraktionierte Strahlentherapie in einigen Tumormodellen tumor-spezifische T-Zellen induziert. Insbesondere in Kombination mit Immuntherapeutika, beispielsweise Immuncheckpoint-Inhibitoren, kann dadurch in einigen Fällen nicht nur die lokale Tumorkontrolle verbessert, sondern auch entfernte Metastasen kontrolliert werden (abscopal response). Auch die Kombination mit anderen Immuntherapeutika scheint erfolgversprechend. Optimale Strahlendosis und Fraktionierung sowie andere Voraussetzungen für eine optimale Immunstimulation sind bislang jedoch nicht hinreichend bekannt. Die AG Niedermann hat immunstimulatorische Effekte von hypofraktionierter Strahlentherapie in syngenen Maus-Melanom-Modellen untersucht. Darüber hinaus wurde untersucht, in wieweit hypofraktionierte Strahlentherapie und PD-1 Checkpoint-Blockade bzw. bispezifische T-Zell-rekrutierende Antikörper synergistisch wirken. Dabei wurden synergistische Effekte bei Kombination mit anti-PD-1-Antikörpern, nicht jedoch bei Kombination mit bispezifischen T-Zell-rekrutierenden Antikörpern festgestellt. Zur nicht-invasiven Darstellung der Effekte kombinierter Strahlen- und Immuntherapien wurden PD-1 und PD-L1-spezifische PET-Tracer entwickelt.
Hypothese: Immunstimulatorische und immunmodulierende Wirkungen bestimmter Formen der lokalen Strahlentherapie können beim malignen Melanom in Kombinationen mit Immuntherapeutika eine verbesserte lokale und systemische Tumorkontrolle bewirken.
Molekulare Mechanismen der immun-mediierten RAS-assoziierten leukoproliferativen Erkrankung (RALD) und der Juvenilen Myelomonozytären Leukämie (JMML)
Krebserkrankungen des Erwachsenen weisen meist 50 bis weit über 100 non-synonyme Mutationen auf. Leukämien und Tumoren im Kindesalter zeigen hingegen nur wenige genetische Alterationen. Bei der juvenilen myelomonozytären Leukämie (JMML), einer aggressiven Neoplasie des Kleinkindesalters, findet sich in der Regel nur eine Mutation, die eines von fünf Genen (KRAS, NRAS, NF1, PTPN11 oder CBL) auf dem RAS-MAP-Kinase-Signalweg betrifft. Während alle Alterationen zu einer Hyperaktivierung des Signalwegs führen, sind die klinische Ausprägung und die Rezidivraten nach hämatopoetischer Stammzelltransplantation der molekularen Subtypen verschieden. Neben den genetischen Veränderungen spielen epigenetische Modifikationen für den JMML Phänotyp eine wesentliche Rolle. So konnte die AG Niemeyer ein aberrantes DNA Methylierungsmuster von 4 Genen beschreiben, welches einen prognostisch ungünstigen Krankheitsverlauf vorhersagt. Die Bedeutung epigenetischer Veränderungen für die Pathogenese der JMML wird durch jüngste Beobachtungen unterstrichen, die zeigen, dass eine demethylierende Substanz als Monotherapie eine klinische Remission der JMML induzieren kann. In der Abwesenheit von in vitro Kultursystemen hat die AG Niemeyer ein murines Xenograftmodell entwickelt, in dem das epigenetischen Musters der JMML Stammzellen bei seriellen Transplantationen erhalten bleibt.
Hypothese: Die fünf genetischen Subtypen der JMML zeigen im Xenograftmodel unterschiedliche epigenetischen Profile und ein unterschiedliches Ausmaß der Depletion von leukämischen Stammzellen nach Behandlung mit demethylierenden Substanzen.
Die Bedeutung des tolerogenen Enzyms Indolamin 2,3-dioxygenase (IDO) in der primären und sekundären Resistenz der Immuntherapie des Malignen Melanoms
Das maligne Melanom kann durch Ansätze, die eine spezifische Stimulation der Immunantwort zum Ziel haben, effektiv therapiert werden. Die Blockade der inhibitorischen Moleküle CTLA-4, PD1/2 bzw. ihrer Liganden, sowie die Inhibition des toleranzinduzierenden Enzyms Indolamin 2,3-dioxygenase (IDO) sind bewiesen wirksame pharmakologische Therapien, insbesondere in Kombination, und befinden sich in klinischer Entwicklung/Erprobung. Durch das Enzym IDO wird die essentielle Aminosäure Tryptophan im Gewebe abgebaut und somit die Proliferation von T-Zellen blockiert; zudem entstehen regulatorische T Zellen. Diese beiden Effekte verhindern eine effiziente Immunantwort. IDO-defiziente Mäuse, die mit anti-CTLA-4 Antikörper therapiert werden, zeigen signifikant langsamere Wachstums- und höhere Überlebensraten als Wild-Typ Mäuse. Dabei ist im Mausmodell klar, dass IDO entweder von Melanomen oder von Immunzellen produziert werden kann und in beiden Fällen immunsuppressiv wirkt. Alle verfügbaren Daten aus Mäusen als auch erste Phase I Studien mit einem IDO Inhibitor bei Menschen lassen erwarten, dass dies auch bei Melanompatienten zutrifft. Die AG von Bubnoff konnte zeigen, dass die Expression von IDO in menschlichen Melanomen signifikant mit der Tumordicke des Melanoms korreliert. Die IDO-Expression in Melanomzellen und in Antigen-präsentierenden Zellen wie Makrophagen und dendritischen Zellen im Tumormikromilieu korreliert weiterhin mit der Stärke des Entzündungsinfiltrates um das Melanom. Interessanterweise ist IDO auch bei sehr frühen Melanomen genau am Ort der Tumorentstehung zu sehen. IDO ist also früh, aber auch ständig an der Entwicklung des Melanoms beteiligt. Inwiefern IDO an der Melanomentstehung kausal beteiligt ist, ist eine offene Frage.
Hypothesen: A: Eine ansteigende Aktivität von IDO im Serum zeigt ein Rezidiv an. B: Die Expression von IDO ist ein wesentlicher Resistenzmechanismus im Rahmen der Immuntherapie mit CTLA-4- oder PD-1 Inhibitoren beim Melanom. Die Produktion von IDO wirkt hier gegenregulatorisch zur therapeutisch induzierten T-Zellantwort.
Veränderung der Immunsurveillance in Patienten mit primärer Immundefizienz: Mechanismen der Lymphom-Entstehung
Primäre Immundefekte (PID) sind seltene Erkrankungen des Immunsystems, die durch die zugrundeliegenden monogenetisch definierten Störungen einen einzigartigen Blick auf das humane Immunsystem erlauben. Gehäufte Tumorentstehung wird insbesondere bei solchen PID beobachtet, bei denen die Homöostase von Immunzellen (Proliferation und Zelltod) gestört ist. Dies weist darauf hin, dass Veränderungen der gleichen Signalwege sowohl zu Infektanfälligkeit und Autoimmunität als auch zur Tumorentstehung beitragen können. Die AG Ehl untersucht Patienten mit autoimmun-lymphoproliferativen Immundefekten (AL-PID), einem klinischen Phänotyp, der mit Keimbahn- oder somatischen Mutationen in einer Reihe von Genen verbunden ist, z.B. dominant negativen Mutationen in FAS oder aktivierenden Mutationen in PIK3CD, STAT-1 oder STAT-3. Somatische Mutationen in diesen Genen werden auch in Lymphomen gefunden und ungefähr 10% der AL-PID Patienten mit Keimbahnmutationen in diesen Genen entwickeln Lymphome. Die AG Ehl hat in den letzten Jahren die Lymphozytendifferenzierung und die zelluläre Programmierung bei Patienten mit Fas-Defekten untersucht und in genomweiten Untersuchungen neue Gendefekte identifiziert. Die Hypothese ist, dass proto-onkogene Signalwegveränderungen und die resultierenden Änderungen der zellulären und metabolischen Programmierung auch die Grundlage von benigner Lymphoproliferation, Autoimmunität und Immundefizienz sein können.
Hypothese: Keimbahnmutationen in Genen, die durch gestörte T-Zell Homöostase Immundefizienz und Autoimmunität hervorrufen, sind oft auch Suszeptibilitätsgene für Lymphome, was auf gemeinsame Pathogenitäts-Wege hinweist.
Tumor-Microenvironment-vermittelte Minderung der T-Zell Aktivität durch Nährstoffentzug
In Patienten mit chronischen Erkrankungen z.B. Krebs, kommt es häufig zur Kachexie, welche mit einer hohen Morbidität und Mortalität einhergeht. Kürzlich wurde gezeigt, dass Krebszellen Faktoren sezernieren, die im weißen Fettgewebe zur ausgeprägten Steigerung eines energetisch nutzlosen Zyklus aus Fettsäure-Synthese und Fettsäure-Oxidation führen. Die selben Tumor-sezernierten Faktoren führen in Muskelzellen zur vermehrten Fettsäure-Oxidation und zum zellulären Stress. Diese Veränderungen sind ursächlich an der Kachexie beteiligt, da kürzlich gezeigt werden konnte, dass eine pharmakologische Inhibition der Fettsäure-Oxidation in Maus-Modellen eine Tumor-assoziierte Kachexie verhindern konnte. Ein zentraler Schritt in der Tumor-Progression ist eine von den Krebszellen hervorgerufene Modulation der Immunantwort, durch die potentiell effektive Immunzellen inaktiviert werden. Unsere Vorarbeiten weisen darauf hin, dass metabolische Veränderungen integral an dieser Modulation des Immunsystems beteiligt sind. In der Tat revidiert eine “Checkpoint Blockade“ Therapie, in der das Immunsystem reaktiviert wird, auch die metabolischen Veränderungen in den Effektor-T-Zellen. Wachsende und metastasierende Tumore werden entweder von aktivierten Makrophagen oder von regulatorischen T-Zellen (T-Regs) infiltriert, welche eine wichtige Rolle bei der Tumor-Progression spielen. In beiden Zelltypen ist die Fettsäure-Oxidation der zentrale metabolisch aktive Stoffwechselweg. Pharmakologische Inhibition der Fettsäure-Oxidation führt zum Verlust der Immun-Funktionen sowohl in Makrophagen als auch in T-Regs.
Hypothese: Dieselben, von Krebszellen sezernierten Faktoren, verursachen durch metabolische Veränderungen sowohl eine Kachexie als auch eine Inaktivierung der Immunantwort.
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