German Title: ANSÄTZE ZUR BEKÄMPFUNG DER IMMUNOGENITÄT UND DER IMMUNSUPPRESSIVEN EIGENSCHAFTEN VON GLIOMEN MIT ISOCITRATDEHYDROGENASE-1-MUTATION

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Abstract

The discovery of exploitable tumor-specific targets is central to the development of clinically relevant immunotherapeutic strategies for cancer. Mutations in isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1), frequent in diffuse gliomas is one such target. The mutation IDH1R132H (mIDH1) is immunogenic, presented on human MHC-II molecules and induces CD4 T-cell responses in MHC-humanized A2DR1 tumor models as well as IDH1-mutated glioma patients when vaccinated with mIDH1-specific peptide vaccine. mIDH1, however plays the role of a double-edged knife. Its immunogenicity is compensated by the strong immunosuppressive environment orchestrated by the production of oncometabolite 2-HG that is imported by T-cells and leads to a suppression of their activation and proliferation. Inhibition of mIDH1 using small molecule inhibitors (IDH1i) has shown benefit in pre-clinical studies as therapy and has been associated with disease control in early clinical trials. Preclinical studies have also shown the ability of IDH1i to alleviate immunosuppression in the tumor microenvironment (TME). The impact of this inhibition on tumor infiltrating T-cells, however, has not been sufficiently evaluated. The first part of this work, therefore, aimed at deciphering the effect of IDH1i on tumor-infiltrating T-cell activity and fate in the tumor microenvironment using single-cell RNA and VDJ sequencing of tumor infiltrating immune cells. The lack of suitable murine glioma models where mIDH1 is presented in its native immunogenic capacity on human MHC-II molecules prompted the development of a novel syngeneic mIDH1 glioma model in MHC-humanized A2DR1 mice. Single-cell transcriptomic and T-cell receptor analysis of tumor infiltrating immune cells in IDH1i treated mice revealed an accumulation of infiltrating T-cells potentiated by IDH1i with an increased abundance of CD4 T-cells with a tumor reactive phenotype and a reduction in frequency regulatory T-cells as well as restoration of functional intercellular T-cell communication. Combination treatment of IDH1i and ICB provided a synergistic therapeutic benefit for mIDH1 A2DR1 gliomas. These findings suggest that reduction of 2-HG levels is necessary for enabling a functional anti-tumor immune response which is then exploitable by immune checkpoint blockade and warrants for clinical trials testing the efficacy of IDH1 inhibitors in combination with adjuvant immunotherapies such as vaccines or immune checkpoint inhibitors in patients with mIDH1 gliomas. The second part of this work focused on developing a setup for the identification and validation of mIDH1-reactive T-cell receptors (TCR) from IDH1RH-specific vaccinated A2DR1 mice and from the resected lesion of a glioma patient part of the NOA16 mIDH1 peptide vaccine trial. The latter revealed a unique transcriptional signature of mIDH1 reactive CD4 T-cells in the tumor microenvironment characterized by CXCL13 expression. The proof of principle identification of mIDH1 reactive TCRs demonstrates the feasibility of exploiting immune responses against CD4-restricted neo-epitopes as a first step in developing an adoptive TCR-transgenic T-cell therapy for glioma patients

Translation of abstract (German)

Die Entdeckung verwertbarer tumorspezifischer Zielstrukturen ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung klinisch relevanter immuntherapeutischer Strategien gegen Krebs. Mutationen in der Isocitrat-Dehydrogenase 1 (IDH1), die häufig in diffusen Gliomen vorkommen, sind ein solche Zielstruktur. Die Mutation IDH1R132H (mIDH1) ist immunogen, wird auf menschlichen MHC-II-Molekülen präsentiert und induziert CD4-T-Zell-Reaktionen in MHC-humanisierten A2DR1-Tumormodellen sowie bei IDH1-mutierten Gliompatienten, wenn sie mit einem mIDH1-spezifischen Peptidimpfstoff geimpft werden. mIDH1 spielt jedoch die Rolle eines zweischneidigen Messers. Seine Immunogenität wird durch ein starkes immunsuppressives Umfeld kompensiert, das durch die Produktion von onkometabilem 2-HG entsteht, das von T-Zellen importiert wird und zu einer Unterdrückung ihrer Aktivierung und Proliferation führt. Die Hemmung von mIDH1 durch niedermolekulare Inhibitoren (IDH1i) hat sich in präklinischen Studien als vorteilhaft für die Therapie erwiesen und wurde in frühen klinischen Studien mit der Kontrolle der Krankheit in Verbindung gebracht. Präklinische Studien haben auch gezeigt, dass IDH1i die Fähigkeit besitzt, die Immunsuppression in der Mikroumgebung des Tumors (TME) zu verringern. Die Auswirkungen dieser Hemmung auf die den Tumor infiltrierenden T-Zellen sind jedoch noch nicht ausreichend untersucht worden. Der erste Teil dieser Arbeit zielte daher darauf ab, die Wirkung von IDH1i auf die Aktivität und das Schicksal von tumorinfiltrierenden T-Zellen in der Tumormikroumgebung mit Hilfe von Einzelzell-RNA und VDJ-Sequenzierung von tumorinfiltrierenden Immunzellen zu entschlüsseln. Das Fehlen geeigneter Maus-Gliom-Modelle, in denen mIDH1 in seiner nativen immunogenen Eigenschaft auf humanen MHC-II-Molekülen präsentiert wird, führte zur Entwicklung eines neuen syngenen mIDH1-Gliom-Modells in MHC-humanisierten A2DR1-Mäusen. Einzelzell-Transkriptom- und T-Zell-Rezeptor-Analysen von tumorinfiltrierenden Immunzellen in IDH1i-behandelten Mäusen zeigten eine Anhäufung von infiltrierenden T-Zellen, die durch IDHi potenziert wurden, mit einer erhöhten Abundanz von CD4-T-Zellen mit einem tumorreaktiven Phänotyp und einer Verringerung der Frequenz regulatorischer T-Zellen sowie einer Störung der funktionellen interzellulären T-Zell-Kommunikation. Die Kombinationsbehandlung von IDH1i und Immun-Checkpoint-Blockade (ICB) bot einen synergistischen therapeutischen Nutzen für mIDH1-A2DR1-Gliome. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Senkung des 2-HG-Spiegels notwendig ist, um eine funktionelle Anti-Tumor-Immunantwort zu ermöglichen, die dann durch ICB onkoausgenutzt werden kann, und rechtfertigen klinische Studien, in denen die Wirksamkeit von IDH1-Inhibitoren in Kombination mit adjuvanten Immuntherapien wie Impfstoffen oder Immun-Checkpoint-Inhibitoren bei Patienten mit mIDH1-Gliomen getestet wird. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung eines Systems zur Identifizierung und Validierung von mIDH1-reaktiven T-Zell Rezeptoren (TCRs) aus IDH1RH-spezifisch geimpften A2DR1-Mäusen und aus der resezierten Läsion eines Gliompatienten im Rahmen der NOA16 mIDH1-Peptidimpfstoffstudie. Letzteres ergab eine einzigartige Transkriptionssignatur von mIDH1-reaktiven CD4-T-Zellen in der Mikroumgebung des Tumors, die durch die Expression von CXCL13 gekennzeichnet ist. Die prinzipielle Identifizierung von mIDH1-reaktiven TCRs zeigt, dass es möglich ist, Immunreaktionen gegen CD4-begrenzte Neo-Epitope als ersten Schritt zur Entwicklung einer adoptiven TCR-transgenen T-Zell-Therapie für Gliompatienten zu nutzen.