Heidelberg, Univ., Diss., 2008. / Online publiziert: 2009.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Tübingen, Univ., Diss., 2004.

Regensburg, Univ., Diss., 2010.

The genetic modification of T cells for the expression a chimeric antigen receptor (CAR) endows them with a new specificity for an antigen. Adoptive immunotherapy with CD19-CAR T cells has achieved high rates of sustained complete remissions in B cell malignancies. However, the downregulation or loss of the targeted antigen after mono-specific CAR T cell therapy, e.g. against CD19 or CD22, has been reported. Targeting multiple antigens on tumour cells, sequentially or simultaneously, could overcome this limitation. Additionally, targeting multiple antigens with CAR T cells could drive the translation from hematologic malignancies to prevalent solid cancers, which often express tumour-associated antigens heterogeneously. We hypothesised that expression of a universal CAR, which can be programmed with hapten-like molecules, could endow T cells with specificities for multiple antigens. In this study we introduce a novel chemically programmable CAR (cpCAR) based on monoclonal antibody h38C2. Our data show, that cpCARs form a reversible chemical bond to molecules containing a diketone-group and therefore can be programmed to acquire multiple specificities. We programmed cpCAR T cells with hapten-like compounds against integrins αvβ3 and α4β1 as well as the folate receptor. We observed tumour cell lysis, IFN ɣ and IL-2 production and proliferation of programmed cpCAR T cells against tumour cells expressing the respective target antigen in vitro. As a reference to cpCARs programmed against αvβ3, we further introduced novel conventional αvβ3-CARs. These CARs, based on humanised variants of monoclonal antibody LM609 (hLM609), directly bind to integrin αvβ3 via their scFv. The four αvβ3-CAR constructs comprised either an scFv with higher affinity (hLM609v7) or lower affinity (hLM609v11) against αvβ3 integrin and either a long (IgG4 hinge, CH2, CH3) or short (IgG4 hinge) extracellular spacer. We selected the hLM609v7-CAR with short spacer, which showed potent anti-tumour reactivity both in vitro and in a murine xenograft model, for comparison with the cpCAR programmed against αvβ3. Our data show specific lysis of αvβ3-positive tumour cells, cytokine production and proliferation of both hLM609-CAR T cells and cpCAR T cells in vitro. However, conventional hLM609-CAR T cells mediated stronger anti-tumour effects compared to cpCAR T cells in the same amount of time. In line with the in vitro data, complete destruction of tumour lesions in a murine melanoma xenograft model was only observed for mice treated with conventional αvβ3-CAR T cells. Collectively, we introduce a cpCAR, which can be programmed against multiple tumour antigens, and hLM609-CARs specific for the integrin αvβ3. The cpCAR technology bears the potential to counteract current limitations, e.g. antigen loss, of current monospecific CAR T cell therapy. Targeting αvβ3 integrin with CAR T cells could have clinical applications in the treatment of solid malignancies, because αvβ3 is not only expressed on a variety of solid malignancies, but also on tumour-associated vasculature and fibroblast. / T Zellen können durch genetische Modifizierung zur Expression eines chimären Antigen-Rezeptors (CAR) neue Antigenspezifität erhalten. Durch adoptive Immuntherapie mit CD19-CAR T Zellen können hohe Raten von anhaltenden vollständigen Remissionen bei Patienten mit malignen B-Zell-Erkrankungen erzielt werden. In klinischen Studien mit mono-spezifischen CAR T Zellen wurden allerdings der Verlust oder eine verringerte Expression der Ziel-Antigene, z.B. CD19 oder CD22, auf Tumor-Zellen beobachtet. Außerdem sind bei soliden Krebserkrankungen tumor¬assoziierte Antigene häufig unterschiedlich stark auf Krebszellen exprimiert. Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass CARs, die mit einem hapten-ähnlichen Molekül programmiert werden können, es ermöglichen, mehrere Antigene mit einer T-Zelle anzugreifen. In dieser Arbeit stellen wir einen neuartigen chemisch programmierbaren CAR (cpCAR) auf Basis des monoklonalen Antikörpers h38C2 vor. Unsere Daten zeigen, dass cpCARs eine reversible chemische Bindung zu Molekülen mit einer Diketongruppe bilden und daher so programmiert werden können, dass sie mehrere Spezifitäten aufweisen. Wir haben cpCAR T Zellen mit hapten-ähnlichen Molekülen gegen die Integrine αvβ3 und α4β1 sowie den Folat-Rezeptor programmiert. In vitro beobachteten wir sowohl die spezifische Lyse von Tumorzellen als auch T-Zell-Proliferation und Sekretion von IFN ɣ und IL-2 durch programmierte cpCAR T Zellen als Reaktion auf Antigen positive Tumorzellen. Als Referenz zu cpCARs, die gegen αvβ3 programmiert wurden, haben wir in dieser Arbeit zudem neue konventionelle αvβ3-CARs vorgestellt. Diese basieren auf humanisierten Varianten des monoklonalen Antikörpers LM609 (hLM609) und binden mittels ihres scFv direkt an Integrin αvβ3. Die vier αvβ3-CAR-Konstrukte enthielten entweder ein scFv mit höherer Affinität (hLM609v7) oder niedrigerer Affinität (hLM609v11) gegenüber αvβ3 und entweder einem langen (IgG4-Hinge, CH2, CH3) oder einem kurzen (IgG4-Hinge) extrazellulären „Spacer“. Für den Vergleich von konventionellem CAR und cpCAR wählten wir den hLM609v7-CAR mit kurzem „Spacer“. T Zellen, die diesen CAR exprimierten, vermittelten eine starke Anti-Tumor Reaktion sowohl in vitro als auch in einem Maus-Xenograft Modell. Unsere in vitro Daten zeigen spezifische Lyse von αvβ3-positiven Tumorzellen, Sekretion von Zytokinen und Proliferation sowohl durch hLM609-CAR T-Zellen als auch durch cpCAR T-Zellen. Konventionelle hLM609-CAR T Zellen vermittelten jedoch in gleicher Zeit eine stärkere Anti-Tumorwirkung als cpCAR T-Zellen. Zusammengefasst präsentieren wir in dieser Arbeit einen cpCAR, der gegen mehrere Tumorantigene programmiert werden kann, und hLM609-CARs, die spezifisch für das Integrin αvβ3 sind. Die cpCAR-Technologie birgt das Potenzial, aktuellen Limitationen der mono-spezifischen CAR-T-Zelltherapie, z.B. dem Antigen¬verlust, entgegenzuwirken. Zudem könnte das Integrin αvβ3 klinische Anwendung bei der Behandlung von soliden Tumoren finden, da es nicht nur auf einer Reihe von Tumor-Entitäten, sondern auch auf Tumor-assoziiertem Gewebe zu finden ist.

Die Entstehung maligner Zellen durch irreversible genetische Veränderungen ist ein allgegenwärtiger Prozess im menschlichen Organismus. Allein die spontane Mutationsrate genügt um in einem Organismus permanent transformierte Zellen entstehen zu lassen, welche den Körper in kürzester Zeit überschwemmen würden. Auch wenn bestimmte genetische Schäden frühzeitig durch Reparaturmechanismen beseitigt werden und sich nicht jede transformierte Zelle in einem Tumor manifestiert, so ist die eigentliche Frage nicht, warum Krebs entsteht, sondern warum er bei der hohen Mutationsrate so selten auftritt. Verantwortlich für die frühe Erkennung und Beseitigung transformierter Zellen ist das körpereigene Immunsystem, das in der Lage ist die meisten aberranten Zellen zu entfernen, sodass der manifeste Tumor die Ausnahme und nicht die Regel ist. Der menschliche Organismus verfügt über ein angeborenes und ein erworbenes Immunsystem. Bis heute ist nicht eindeutig geklärt, ob maligne Zellen mit ihren veränderten Oberflächenstrukturen erst eine Immunantwort induzieren müssen oder ob, wie bei der Abwehr infektiöser Partikel, die angeborene Immunität für die Beseitigung von Tumorzellen verantwortlich ist. Die in dieser Arbeit verwendete humane Hybridoma Technologie (Immortalisierung menschlicher Lymphozyten und Isolierung monoklonaler Antikörper) bietet die einzigartige Möglichkeit, sowohl aus an Krebs erkrankten Patienten als auch aus gesunden Probanden tumorspezifische Antikörper zu isolieren und durch deren genauere Charakterisierung Einblicke in die humorale Immunität gegen maligne Zellen zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit werden fünf humane monoklonale Antikörper beschrieben, die aus verschiedenen Tumorpatienten gewonnen wurden, sowie zwei Antikörper, die aus gesunden Probanden isoliert werden konnten. In allen Fällen erwiesen sich die Antikörper als tumorspezifisch, d.h. sie reagieren nicht mit gesundem Gewebe und sind demnach keine Autoantikörper. Es handelt sich weiterhin in allen Fällen um Antikörper des IgM-Isotyps; es konnten keinen Antikörper anderer Ig-Klassen isoliert werden. Genetische Analysen ergaben, dass alle isolierten Antikörper gering oder gar nicht mutiert waren, was bedeutet, dass sie nicht durch Stimulation affinitätsgereift sind. Zudem konnte demonstriert werden, dass alle Antikörper Apoptose von Tumorzellen induzieren und dass sie an eine Zuckerkette ihrer Antigene binden oder solche Carbohydrate zumindest entscheidend in die Bindung involviert sind. Die Eigenschaften der in dieser Arbeit beschriebenen Antikörper wurden mit anderen bereits etablierten IgM-Antikörpern verglichen. Hierbei stellte sich heraus, dass alle Antikörper, welche sich als tumorspezifisch erwiesen, ähnliche Eigenschaften zeigen. Interessant ist zudem die Beobachtung, dass die Keuzreaktion der Antikörper, also ihre Reaktion mit anderen Tumorgeweben, reziprok mit dem Mutations-grad korreliert ist. Je mehr Mutationen ein Antikörper aufweist, desto eingeschränkter und spezifischer sind demnach seine Reaktionen mit anderen Tumoren. Dies deutet darauf hin, dass auch innerhalb der Keimbahn-kodierten Antikörper durch vereinzelte Mutationen eine höhere Variabilität erzeugt werden kann. Ähnlich wie bei der Affinitätsreifung der erworbenen Immunität scheint sich auch hier die Spezifität mit der Anzahl der Mutationen zu erhöhen. Zusammenfassend weisen die erhaltenen Ergebnisse darauf hin, dass zumindest die humorale Immunität gegen maligne Zellen das Resultat der angeborenen Immunität ist und nicht von Tumorzellen induziert wird. Dies bedeutet zudem, dass Moleküle wie natürliche Antikörper in der Immunität eine viel größere Rolle spielen als bisher angenommen. Ähnliche Ergebnisse wurden bereits bei der Untersuchung der Immunität gegen bakterielle Antigene erzielt, sodass hier vermutet werden kann, dass die gleichen Mechanismen zugrunde liegen wie bei der Abwehr transformierter Zellen. Darüber hinaus wird die Frage beantwortet, warum ein manifester Tumor eine Ausnahme bleibt. Die angeborene, primäre Immunität verfügt über ein existierendes Repertoire an Rezeptoren, welche eine ausreichende Variabilität aufweisen, und muss daher nicht erst über ein komplexes System von Erkennung und Stimulation, wie die adaptierte Immunität, induziert werden. Dieser logistische Vorsprung der natürlichen Immunität garantiert eine permanente Überwachung und eine schnelle Reaktion gegenüber veränderten Zellen und fremden Partikeln. / The formation of malignant cells through irreversible genetic alterations is a chronic process in a human organism. The spontaneous mutation rate is high enough to let transformed cells arise permanently in an organism and to flood the body with these cells in a short period of time. Although specific genetic damages were eliminated very early by repair mechanisms and not every transformed cell became a manifest tumour, the major question to be answered is not why cancer arises but why it occurs so infrequently despite of the high mutation rate. The immune system is responsible for the early detection and elimination of transformed cells. It is able to remove most of the transformed cells so that tumour formation is the exception but not the rule. The immune system of the human organism consists of an innate and an acquired system. Until the present time it is not explained definitely, whether malignant cells with their altered surface structure have to induce an immune answer or if the innate immunity is responsible for the elimination of tumour cells like for infectious particles. In this dissertation the human hybridoma technology (immortalisation of human lymphocytes and isolation of human monoclonal antibodies) was used to investigate this question. This technique offers the unique possibility to isolate tumour-specific antibodies from cancer patients as well as from healthy persons and to attain additionally insights into the humoral immunity against malignant cells. Five human monoclonal antibodies were described which were isolated from different cancer patients and in addition two antibodies obtained from healthy donors. In all of the cases the antibodies prove to be tumour-specific which means they do not react with healthy tissues and are according to this no auto-antibodies. All of them are IgM antibodies, no tumour-specific IgA or IgG antibody was detectable. Genetic analysis show that all isolated antibodies were only slightly mutated or not mutated at all, which means that they were not affinity-maturated due to antigen stimulation. Furthermore it was possible to demonstrate that all isolated tumour-specific IgM antibodies induce apoptosis in tumour cells. Another result indicates that carbohydrates are involved in the binding of the antibodies to their corresponding antigen. The characteristics of the antibodies were compared with other IgM antibodies which were already established in our lab. Here all antibodies which prove to be tumour-specific show similar characteristics. Interestingly the amount of cross reactivity with other tumour tissues correlates reciprocally with the degree of mutations. The more mutations an antibody displays the more reduced are the reactions with other tumour tissues. This indicates that, similar to the affinity-maturation of adapted immunity, an increase of specificity and most likely also variability of germ-line coded antibodies can be generated by few mutations. Our observations indicate that the humoral immunity against malignant cells is the result of the innate immunity. This means moreover that molecules like natural antibodies play a much more important role in immunity than assumed so far. Similar results were obtained already with analysis of immunity against bacterial antigens. This leads to the assumption that here the same mechanisms are involved like in the defence against transformed cells. Moreover the question could be answered why a manifest tumour remains an exception. The innate, primary immunity has an existing repertoire of receptors which are variable enough so that a complex system of recognition and stimulation like in the acquired immunity does not have to be induced. This logistic advantage of the natural immunity guarantees a permanent control and a fast reaction towards altered cells and foreign particles.

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 2003--Würzburg.

Konstanz, Univ., Diss., 2007.

Tübingen, Univ., Diss., 2008.