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Abstract

Oncolytic vaccine strains of measles virus (MeVac) are studied as novel cancer therapeutics. By preferentially lysing tumor cells, these attenuated viruses induce systemic antitumor immunity. However, MeVac virotherapy alone is insufficient to achieve high rates of complete tumor remissions. Thus, in this study I aimed at identifying immunological mechanisms that limit or restrict the therapeutic potential of oncolytic MeVac.

Following the cancer-immunity cycle, I first focused on antigen presentation and T cell priming. I hypothesized that the immune response elicited by MeVac virotherapy is limited by impaired antigen processing, common in tumor cells, and reasoned that delivering pre-processed antigens to the tumor via MeVac vectors could circumvent this limitation. Using a murine system and chicken ovalbumin as model antigen, I showed that dendritic cells and tumor cells exposed to MeVac vectors encoding antigen-derived epitope variants present the encoded epitopes, especially when exposed to MeVac encoding six epitope copies targeted to the proteasome. Increased epitope presentation enhanced priming of naïve OT-I T cells and activation of cognate cytotoxic T lymphocytes. Thus, I proved the concept of using MeVac encoding antigen-derived epitope variants for T cell priming and activation. This project is now continued in the human context.

Subsequently, I focused on T cell migration and effector function. Based on efficacy and tumor gene expression data from previous studies, I hypothesized that the efficacy of MeVac virotherapy is limited by insufficient intratumoral expression of specific chemokines and cytotoxic molecules. To assess whether intratumoral overexpression of these molecules improves therapeutic efficacy, I conducted gain of function (GOF) efficacy studies in immunocompetent models of murine melanoma and colon adenocarcinoma. GOF studies with MeVac vectors encoding murine CXCL9, CXCL10, CCL19, or CCL21a, which I generated and characterized, showed that these chemokines do not limit the therapeutic efficacy of oncolytic MeVac. Loss of function studies will reveal whether these molecules are essential for MeVac virotherapy despite not being limiting. The identified cytotoxic molecules will be investigated following the same experimental approach.

MeVac virotherapy often results in PD-L1 upregulation on tumor cells. To address whether the PD-1/PD-L1 pathway restricts the efficacy of MeVac virotherapy, I investigated the combination of MeVac with PD-1/PD-L1 blockade in two systems. In an immunocompetent model of murine colon adenocarcinoma, I found that MeVac vectors encoding antibody-like molecules against PD-1 or PD-L1 induce stronger antitumor immune memory compared to MeVac alone. However, this effect was insufficient to improve therapeutic efficacy. In an immunocompetent model of murine pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), local MeVac plus systemic anti-PD-1 antibody treatment was more effective than either monotherapy. In this model, I showed that MeVac was the main driver of systemic antitumor immunity, but required combination with anti-PD-1 to transiently induce an immune activation gene signature in the tumor. This study provides the basis for a Phase I clinical trial of MeVac plus Pembrolizumab in PDAC patients, currently in preparation.

While this work was conducted in wild-type mice, I also established CD46tg mice as a novel animal model to study oncolytic MeVac therapy. My investigations are the first to show that these mice develop systemic tumor-specific and measles virus-specific immunity upon intratumoral MeVac treatment. In gene expression studies, I identified a MeVac-induced tumor immune gene signature that warrants further investigation. Finally, I worked towards the establishment of patient-derived ex vivo tumor slice cultures as a platform to study early effects of oncolytic MeVac in a setting that preserves the patient-specific tumor heterogeneity and microenvironment.

Overall, identifying limiting factors of MeVac virotherapy will lead to the rational development of combination approaches that tackle treatment resistance. Furthermore, the refined models that I have established will increase the robustness of preclinical findings, thus improving translation into clinical research.

The addendum describes a preclinical study that I conducted to test the cellular immune response of MeVac-susceptible mice to a MeVac-based vaccine candidate against COVID-19.

Translation of abstract (German)

Onkolytische Masern-Impfviren (MeVac) werden als neuartige Krebstherapeutika untersucht. Diese attenuierten Viren infizieren bevorzugt Tumorzellen und können dadurch eine systemische Antitumor-Immunantwort induzieren. Allerdings reicht die MeVac-Therapie alleine nicht aus, um hohe Raten an kompletten Tumor-Remissionen zu erreichen. Deshalb habe ich im Rahmen dieser Arbeit versucht, molekulare Mechanismen zu identifizieren, die das therapeutische Potential der MeVac-induzierten Immunantwort limitieren. Dem Konzept des “Cancer-Immunity Cycle” folgend fokussierte ich mich zunächst auf Antigen-Präsentation und T-Zell-Priming. Ich postulierte, dass die MeVac-induzierte Antitumor-Immunantwort durch mangelhafte Antigen-Prozessierung, wie sie in Tumorzellen verbreitet ist, limitiert sein könnte und dass MeVac-Vektoren, die zur Expression präprozessierter Antigene im Tumor führen, diese Limitation überwinden könnten. In einem murinen System mit Hühner-Ovalbumin als Modell-Antigen konnte ich zeigen, dass dendritische Zellen und Tumorzellen, die mit diesen MeVac-Vektoren behandelt wurden, die kodierten Epitope präsentierten, insbesondere nach Behandlung mit Vektoren, die sechs an das Proteasom adressierte Epitop-Kopien kodieren. Eine vermehrte Epitop-Präsentation verstärkte das Priming naiver OT-I T-Zellen und die Aktivierung Epitop-spezifischer zytotoxischer T-Lymphozyten. Meine Ergebnisse stellen einen Machbarkeitsnachweis für die Verwendung Epitop-kodierender MeVac-Varianten zum Priming und zur Aktivierung spezifischer T-Zellen dar. Dieses Projekt wird nun im humanen Kontext fortgesetzt. Anschließend fokussierte ich mich auf T-Zell-Migration und –Effektor-Funktionen. Basierend auf Daten zur therapeutischen Effizienz und intratumoralen Genexpression aus vorherigen Arbeiten postulierte ich, dass die Wirksamkeit der MeVac-Virotherapie durch unzureichende intratumorale Expression spezifischer Chemokine und zytotoxischer Moleküle limitiert sein könnte. Um festzustellen, ob die intratumorale Überexpression dieser Moleküle die Wirksamkeit verbessert, führte ich gain of function (GOF)-Wirksamkeitsstudien in immunkompetenten Mausmodellen des Melanoms und kolorektalen Karzinoms durch. Hierzu verwendete ich MeVac-Vektoren, die murines CXCL9, CXCL10, CCL19 oder CCL21a kodieren, welche ich generiert und charakterisiert habe. Diese Studien zeigten, dass diese Chemokine für die Wirksamkeit von onkolytischen MeVac nicht limitierend sind. Loss of function-Studien werden zeigen, ob diese Moleküle zwar nicht limitierend, jedoch essentiell sind für die MeVac-Virotherapie. Die von mir identifizierten zytotoxischen Moleküle werden mit demselben experimentellen Ansatz untersucht.

MeVac-Virotherapie führt häufig zur Hochregulation von PD-L1 auf Tumorzellen. Um festzustellen, ob der PD-1/PD-L1-Signalweg die Wirksamkeit der MeVac-Virotherapie begrenzt, untersuchte ich die Kombination von MeVac mit PD-1/PD-L1-Blockade in zwei experimentellen Systemen. In einem immunkompetenten Mausmodell des Kolonkarzinoms fand ich heraus, dass MeVac-Vektoren, die Antikörper-artige Moleküle gegen PD-1 oder PD-L1 kodieren, ein stärkeres Antitumor-Immun-Gedächtnis induzieren im Vergleich zu unmodifizierten MeVac. Allerdings war dieser Effekt unzureichend, um die therapeutische Wirksamkeit zu steigern. In einem immunkompetenten Modell des Pankreaskarzinoms (PDAC) war die lokale MeVac-Behandlung plus systemischer anti-PD-1-Antikörper wirksamer als die jeweiligen Monotherapien. In diesem Modell konnte ich zeigen, dass MeVac der Haupt-Treiber der systemischen Antitumor-Immunantwort ist, die Kombination mit anti-PD-1 jedoch nötig ist, um eine transiente Immunaktivierungs-Gensignatur im Tumor zu induzieren. Diese Studie bildet die Grundlage für eine klinische Phase I-Studie mit MeVac plus Pembrolizumab für PDAC-Patienten, die aktuell vorbereitet wird.

Während diese Studien in Wildtyp-Mäusen durchgeführt wurden, etablierte ich zusätzlich ein CD46-transgenes Mausmodell für Untersuchungen zur onkolytischen Virotherapie. Zum ersten Mal konnte ich zeigen, dass diese Mäuse nach intratumoraler MeVac-Behandlung systemische Antitumor- und Masern-spezifische Immunantworten entwickeln. In Genexpressionsanalysen identifizierte ich eine MeVac-induzierte Genexpressions-Signatur, die weitere Untersuchungen fordert. Schließlich arbeitete ich an der Etablierung von Patienten-abgeleiteten ex vivo-Tumorschnittmodellen als Plattform zur Untersuchung der frühen Effekte von onkolytischen MeVac in einem Modell, das Tumorheterogenität widerspiegelt und das Patienten-spezifische Tumormikromilieu erhält.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erkennung von Faktoren, welche die Wirksamkeit der MeVac-Virotherapie begrenzen, zur rationalen Entwicklung von Kombinationstherapien beiträgt, um Therapieresistenzen zu überwinden. Des Weiteren werden die verbesserten Modelle, die ich etabliert habe, die Aussagekraft präklinischer Ergebnisse steigern, so dass die Translation in die klinische Forschung verbessert wird.

Das Addendum beschreibt eine präklinische Studie, die ich in MeVac-suszeptiblen Mäusen durchgeführt habe, um die zelluläre Immunantwort auf einen MeVac-basierten Impfstoff-Kandidaten gegen COVID-19 zu testen.