German Title: Lokal applizierte Niedrigdosis-Bestrahlung zur Induktion erhöhter T-Zell-Infiltration in Spontanen Tumoren verbessert Immuntherapie in Mäusen

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Abstract

The use of immunotherapeutic approaches for the treatment of cancer is limited because of the intrinsic resistance of tumors to T cell infiltration and effector function. Enhanced infiltration of T cells can be achieved by inducing an activated tumor microenvironment utilizing whole body irradiation in mice. However, radiotherapy of human cancer with high doses is not applicable in some patients due to complications associated with organ damage. We hypothesized that locally applied low dose irradiation is sufficient to create a niche favoring immune effector cell entry to the tumor. The RIP1-Tag5 (RT5) transgenic mouse model expressing the simian virus 40 derived T antigen (Tag) as a model tumor antigen was employed for this study. Following in vitro activation, Tag specific T cells derived from donor mice were injected into RT5 mice previously irradiated with doses ranging from 0.5 to 6 Gray. Histological examination demonstrated that transfer of activated tumor-specific CD4 or CD8 posi-tive T cells alone resulted in low T cell frequencies in the tumor tissue, whereas a combination treatment including locally applied low dose irradiation and adoptive transfer of Tag specific T cells boosted tumor infiltration. Reduced tumor hemorrhaging was associated only with the latter treatment and indicated a treatment response. Local enrichment of adoptively transferred activated tumor-specific T cells was found to modulate the tumor microenvironment providing endogenous T cell subsets ac-cess to the tumor tissue. The observed effects correlated with the presence of innate immune cells in the tumor micromilieu which mediated tumor infiltration of T cells by production of nitric oxide (NO). Depletion of this cell population or suppression of NO synthase prevented the treatment effect as indicated by tumor regrowth and increase in mortality. This is the first demonstration of enhanced influx of immune effector cells triggered by a combination treatment with local low dose irradiation and adoptive T cell transfer that relies on activation of the tumor microenvironment mediated by NO producing innate immune cells. We believe this treatment approach can be a foundation for the development of a novel and promising cancer therapy that utilizes an activated tumor microenvironment to selectively enrich immune effector cells facilitating immune-mediated tumor destruction.

Translation of abstract (German)

Das Anwendungsspektrum immunotherapeutischer Maßnahmen für die Behandlung von Krebserkrankungen ist, aufgrund der intrinsischen Resistenz von Tumoren gegenüber der Infiltrierung durch T-Zellen und deren Effektorfunktionen begrenzt. In Mäusen kann eine Steigerung der Infiltration durch T-Zellen durch das Induzieren einer aktivierten Tumor-Mikroumgebung durch Ganzkörperbestrahlung erreicht werden. Jedoch ist der Einsatz einer Hochdosis-Strahlentherapie für Krebserkrankungen beim Menschen für manche Patienten nicht geeignet, da Komplikationen aufgrund von Organschäden auftreten können. Wir vermuten daher, dass eine lokal applizierte Niedrigdosis-Bestrahlung genügt, um eine Nische zu schaffen, die den Eintritt von Immuneffektorzellen in den Tumor begünstigt. Das transgene RIP1-Tag5 (RT5) Mausmodell, in welchem Mäuse das vom Simian-Virus 40 stammende „T Antigen“ (Tag) als Modell-Tumorantigen exprimieren, wurde für diese Studie verwendet. Im Anschluss an in vitro-Aktivierung wurden Tag-spezifische T-Zellen in RT5-Mäuse injiziert, die mit Dosen von 0,5 bis 6 Gray bestrahlt worden sind. Anhand histologischer Auswertung konnte gezeigt werden, dass der Transfer von aktivierten Tumor-spezifischen CD4 oder CD8 positiven T-Zellen zu niedrigen T-Zell-Frequenzen im Tumorgewebe führte, während eine Kombinationsbehandlung aus lokal applizierter Niedrigdosis-Bestrahlung und adoptivem T-Zell-Transfer die Tumorinfiltration wesentlich verstärkte. Eine Reduktion von Tumor-Hämorrhagien war nur mit letzterer Behandlung assoziiert und indizierte ein Ansprechen der Therapie. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die lokale Anreiche-rung adoptiv transferierter, aktivierter Tumor-spezifischer T-Zellen die Tumor-Mikroumgebung veränderte, wodurch endogenen T-Zell-Subpopulationen Eintritt in das Tumorgewebe ermöglicht wurde. Die beobachteten Effekte korrelierten mit der Präsenz von Zellen der angeborenen Immunität im Tumor-Mikromilieu, welche die Tumor-Infiltration durch T-Zellen mit der Produktion von Stickoxid (NO) vermittelten. Depletion dieser Zellpopulation bzw. Suppression von NO-Synthase verhinderte ein Ansprechen der Therapie, wie durch erneutes Tumorwachstum und Anstieg der Mortalität gezeigt werden konnte. Diese Studie zeigt zum ersten Mal, dass ein erhöhter Influx von Immuneffektorzellen, der durch eine Kombinationsbehandlung aus lokal applizierter Niedrigdosis-Bestrahlung und adoptivem Transfer von T-Zellen hervorgerufen wurde, auf einer Aktivierung der Tumor-Mikroumgebung beruht, welche durch NO-produzierende Zellen der angeborenen Immunität vermittelt wird. Wir sind der Ansicht, dass dieser Behandlungsansatz eine Basis für die Entwicklung einer neuen und vielversprechenden Krebstherapie sein kann, welche eine aktivierte Tumor-Mikroumgebung nutzt, um durch selektive Anreicherung von Immuneffektorzellen eine Tumordestruktion einzuleiten.