Die Rolle natürlicher Killerzellen im kutanen T-Zell-Lymphom: pathophysiologische Mechanismen und klinische Bedeutung

Kutane T-Zell-Lymphome (CTCL) stellen eine Gruppe von seltenen, potentiell tödlichen Nicht-Hodgkin-Lymphomen dar, welche aus bösartigen CD4+-T-Zellen entstehen. Als entscheidender Faktor für das Fortschreiten der Krankheit wird das Immunsystem des Patienten erachtet. Immunmodulatorische Therapien verbessern das Behandlungsergebnis zuverlässig. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen des CTCLs auf das Immunsystem und dessen Zellen ist somit für die Verbesserung der therapeutischen Optionen essentiell.

Die immunmodulatorischen Auswirkungen des CTCLs führen zur Erschöpfung der Immunzellen. Dies erklärt, warum bei diesen Erkrankungen die Wirkung von Therapien, die von T-Lymphozyten und dendritischen Zellen abhängen, im Vergleich zu den Ergebnissen bei anderen Krebsarten bisher enttäuschend ausfallen. Allerdings gibt es nun Hinweise, dass natürliche Killerzellen (NK) für das Ansprechen auf eine immunmodulatorische Behandlung bei CTCL mitverantwortlich sind.  

Angesichts des immunmodulatorischen Charakters des CTCLs, seiner stark immunsuppressiven Tumormikroumgebung und der reduzierten Antitumoraktivität der NK-Zellen bei CTCL-Patienten, stelle ich folgende Hypothese auf: Die durch die Tumormikroumgebung induzierte Unterdrückung der NK-Zellfunktion ist ein entscheidender Faktor für die Progression des CTCLs. Die Rückgewinnung der NK-Zellaktivität kann eine wirksame Behandlungsstrategie für CTCL und Krebserkrankungen im Allgemeinen darstellen.

Das übergeordnete Ziel des Projektes ist die Rückgewinnung der durch das CTCL beeinträchtigten NK-Zellaktivität, indem die Faktoren, welche die NK-Zellfunktion negativ regulieren, gezielt anvisiert werden. In einem ersten Schritt werden mittels rechnergestützter Einzelzellsequenzierung die NK-Zellen in der Gewebemikroumgebung des CTCLs phänotypisiert. Auf der Suche nach Faktoren und Signalwegen, die die NK-Zellen im CTCL spezifisch verändern, werde ich diesen umfassenden Datensatz mit NK-Zell-Datensätzen aus gesundem Hautgewebe, entzündlichen Hauterkrankungen und soliden Hauttumoren vergleichen.

Alle potentiell interessanten Moleküle werden danach mittels Reverse-Transkriptase-PCR, Fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung (FACS) und Protein-Immunblotting in NK-Zellen von CTCL-Patienten und, als Kontrolle, von Individuen mit oben genannten anderen Leiden validiert. Anzahl und Aktivitätszustand der NK-Zellen werden mit existierenden patientenspezifischen klinischen Daten verglichen, um den Einfluss des Krankheitsstadiums und der Progression zu beurteilen. Danach werde ich die Reversibilität der suppressiven Auswirkung vielversprechender Moleküle auf die Aktivität der NK-Zellen in vitro untersuchen und einen Kombinationstherapieplan zur Behandlung von CTCL in einem syngenen T-Zell-Lymphommodell entwickeln. So kann in vivo überprüft werden, ob die in den ersten zwei Schritten entdeckten Zielmoleküle zur Rettung des Antitumorpotenzials von NK-Zellen und zur Verbesserung des Verlaufs bei CTCL eingesetzt werden können.

Im Erfolgsfall wird dieses Projekt zum besseren Verständnis der Rolle von NK-Zellen bei Pathologie und Behandlung von CTCL, wie auch von entzündlichen Hauterkrankungen und soliden Hauttumoren beitragen. Die Faktoren und Signalwege, die zunächst durch rechnergestützte Analyse identifiziert wurden, und die danach in vitro als reversibel eingestuft und in vivo als wirksam befunden wurden, können als Grundlage für weiterführende Studien zur Prüfung ihrer klinischen Bedeutung dienen.

Die Rolle des BDNF-Proteins in der neuroimmunen Kontrolle der akuten myeloischen Leukämie

Das Immunsystem und das periphere Nervensystem durchziehen den gesamten Körper und stellen gemeinsam sicher, dass lebensnotwendige Organe die Gewebehomöostase und den Gesundheitszustand des Individuums aufrechterhalten. Über die Gründe, warum dieses Zusammenspiel bei einer Krebserkrankung, insbesondere bei Leukämie, gestört wird oder verloren geht, ist wenig bekannt. Weitere Abklärungen sind notwendig, um Faktoren zu identifizieren, die anvisiert werden können, um den korrekten Austausch wieder herzustellen. Leukämien sind eine Gruppe von Blutkrebsen, die im Knochenmark (KM), einem stark innervierten Gewebe, entstehen.

In diesem Projekt werde ich mich mit der akuten myeloischen Leukämie (AML) befassen, einer Krankheit, die dringend besser charakterisiert werden muss. Als Folge von Rückfällen und Resistenzen gegenüber Medikamenten beträgt die Überlebensrate insgesamt weniger als 20%. Der Hauptgrund für das Scheitern der Behandlung bei AML sind leukämische Stammzellen (LSZ), welche Resistenzen gegen die Chemotherapie entwickelt haben. Diese Zellen überleben und bringen weitere leukämische Klone hervor, welche sich wiederum vermehren und im Patienten einpflanzen. LSZs sind im KM angesiedelt und werden von Zellen und löslichen Faktoren, inklusive neuronalen Faktoren, gestützt, die die Mikroumgebung des KMs, auch KM-Nische genannt, bilden. Früher publizierte Ergebnisse aus meinem Gastlabor zeigen, dass angeborene lymphoide Zellen (ILC) im KM von AML-Patienten bei Krankheitsbeginn zwar vorhanden aber funktionell fehlreguliert sind und sich nach einer Chemotherapie nur teilweise erholen.

Diese ILCs stellen eine erst kürzlich charakterisierte Familie von Immunzellen dar, die in der Gewebehomöostase, entzündlichen Erkrankungen und Krebs eine Rolle spielen. Es ist jedoch nicht bekannt, wie ILCs mit bösartigen Zellen, einschliesslich LSZs, interagieren und ob diese Interaktion durch neurotrophe Faktoren moduliert wird. Unter den bekannten aus Nerven stammenden Faktoren, werde ich mich in diesem Projekt auf die Rolle des Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) fokussieren, da dieser mit einem günstigen Krankheitsverlauf bei chronisch-lymphatischer Leukämie (CLL) assoziiert wird. Auch zeigten meine vorbereitenden Experimente, dass BDNF im peripheren Blut (PB) und KM von AML-Patienten drastisch reduziert ist. Ziel dieses Projektes ist zu verstehen, ob der Verlust von BDNF die Antitumorfunktionen der ILCs beeinflusst, das Überleben der LSZs fördert und/oder die Interaktionen der beiden moduliert.

Ich plane, die Rolle des BDNFs in der Immunkontrolle der AML zu charakterisieren. Zu diesem Zweck werde ich 1) zelluläre und molekulare Akteure identifizieren, die am Tropomyosin-Rezeptor-Kinase B (TrkB) Signalweg beteiligt sind (1. Ziel); 2) die Wechselwirkungen zwischen Tumor/Stroma und Immunzellen, an denen BDNF beteiligt ist, analysieren (2. Ziel); und 3) die in vivo Rolle von BDNF in der Überwindung von Leukämie charakterisieren (3. Ziel). Insgesamt erwarte ich von meinen Untersuchungen, dass sie Aufschluss geben über eine neue Ebene der Tumorimmunität, nämlich über den neuro-immunen Kreislauf in der Leukämie, der möglicherweise eine entscheidende Rolle im Fortschreiten der Krankheit und dem Ansprechen auf die Therapie spielt.

Schematische Darstellung des Projektes

Healthy donors = Gesunde Spender | AML patients = AML-Patienten | High negative correlation = Hohe negative Korrelation | Aim 1 = 1. Ziel | Digital spatial profiling = Digitales räumliches Profiling | Aim 2 = 2. Ziel | In vitro and ex vivo validation = In vitro und ex vivo Validierung | Aim 3 = 3. Ziel | AML PDX model = AML PDX Modell | In vivo translational relevance = Translationale Relevanz in vivo

Modellierung und Untersuchung der Tumormikroumgebung von Hirnmetastasen des nicht-kleinzelligen Lungenkrebses

Weltweit ist Lungenkrebs, einschliesslich des am häufigsten auftretenden nicht-kleinzelligen Lungenkrebses, die Hauptursache für krebsbedingte Todesfälle. Die Metastasierung stellt das Endstadium der Lungenkrebsprogression dar. Dabei breiten sich Krebszellen erfolgreich auf ein neues Organ aus und besiedeln dieses. 20-40% aller Lungenkrebspatienten entwickeln im Verlauf ihrer Erkrankung Hirnmetastasen und neuartige Therapien für deren Behandlung werden dringend benötigt; erstens, weil mehr als 50% aller Patienten innerhalb eines Jahres nach der Diagnose sterben, und zweitens, weil diese Metastasen zum Tod von Patienten führen, bei denen die Erkrankung in den Lungen und in anderen Metastasenherden unter Kontrolle ist.

Allerdings fehlt es an Tiermodellen, die Hirnmetastasen des Lungenkrebses getreu nachbilden, was unser Verständnis der molekularen Mechanismen, die dieser Krankheit zugrunde liegen, limitiert. Dieses Verständnis ist jedoch unabdingbar, wenn spezifische Schwachstellen der beteiligten Mechanismen im Hinblick auf zukünftige Therapieansätze identifiziert werden sollen.

In diesem Projekt werden wir unsere Partnerschaften mit Pathologen, Chirurgen und Wissenschaftlern innerhalb des Swiss Cancer Center Léman und auch im Ausland nutzen, um neuartige therapeutische Kombinationen zu identifizieren, die nicht-krebsartige Zellen in Tumoren (d.h. die Tumormikroumgebung), darunter auch Immunzellen, ins Visier nehmen. Wir werden das erste Lungenkrebs-Mausmodell entwickeln, das alle Stufen der Lungenkrebs-Hirnmetastase nachbildet. Diese Mäuse werden ein intaktes Immunsystem besitzen, was in vielen gegenwärtig verfügbaren Modellen nicht der Fall ist. Dank dieser Eigenschaft können wir ermitteln, wie die körperliche Abwehr auf Lungenkrebsmetastasen im Gehirn reagiert. So können Therapien identifiziert werden, die diese Antwort verstärken.

Parallel dazu werden wir neue Technologien einsetzen, mit denen zelluläre Interaktionen identifiziert werden können, die entscheiden, wie nicht-krebsartige Zellen auf Krebszellen reagieren und wo im Tumor diese Interaktionen stattfinden. Wir werden diese Untersuchungen in Patientenproben und in unserem tierischen Modell durchführen, um bisher noch unbekannte Schwachstellen in nicht-krebsartigen Zellen der Lungenkrebs-Hirnmetastase zu identifizieren. Diese Schwachpunkte können wir danach in unserem neuartigen Mausmodell anvisieren. Wir hoffen, dass unsere Forschung schliesslich zur Entwicklung einer personalisierten Behandlung von aus nicht-kleinzelligem Lungenkrebs abstammenden Hirnmetastasen führt. Dabei sollen rational konzipierte Therapien unterschiedliche molekulare Subtypen ins Visier nehmen.

Mechanismen und therapeutisches Targeting des neuronalen, die Brustkrebspathogenese-förderndenNMDAR-Signalweges

In ihrem Projekt wird sich Simge Yücel mit der Aufklärung pathogener Mechanismen und der Erforschung innovativer therapeutischer Strategien gegen Brustkrebs befassen. Insbesondere wird sie sich einem neuronalen Signalweg widmen, in dessen Mittelpunkt der NMDA-Rezeptor (NMDAR) steht. Die Hanahan Gruppe hat entdeckt, dass dieser Signalweg von Krebszellen ausgebeutet wird, um Invasion und Metastasen – die Krebsmortalität verursachenden Kennzeichen bösartiger Krebsarten – zu begünstigen. Die Rolle des NMDAR bei der Krebsentstehung wurde 2013 entdeckt und beschrieben (Li & Hanahan, Cell), und 2018, hauptsächlich in Beziehung auf Bauchspeicheldrüsenkrebs, weiter charakterisiert (Li, Zeng et al., Cancer Cell). Danach wurde im Jahr 2019 in einem grossen Artikel in der Zeitschrift Nature (Zeng et al.) die Rolle des NMDAR-Signals bei der Entstehung von Hirnmetastasen im Zusammenhang mit Brustkrebs beschrieben. Unveröffentlichte Daten aus dem Hanahan-Labor deuten darauf hin, dass die Ausbeutung des NMDAR auch in bestimmten primären Brusttumoren und bei der folgenden Metastasierung in anderen Körperteilen eine Rolle spielt. Simge Yücel wird Brustkrebs-Mausmodelle in Verbindung mit der Analyse von menschlichen Brustkrebsbiopsien verwenden, um die folgenden Forschungsrichtungen zu verfolgen:

Untersucht werden die Auswirkungen der konditionalen, krebszellspezifischen genetischen Ablation der wichtigsten Signaluntereinheit des NMDARs (GluN2B) auf die Entwicklung und das tödliche Fortschreiten von invasiven primären Tumoren und Lungenmetastasen im MMTV-PymT Brustkrebs-Mausmodell (die 2013 Cell Publikation zeigte, dass der NMDAR in diesem Modell aktiviert ist). Andere Modelle, z.B. das transgene C3Tag-Modell des dreifach negativen Brustkrebses, könnten ebenfalls verwendet werden. Geplant ist, dass nicht nur Invasion und Metastasierung, sondern auch die Auswirkungen auf die Mikroumgebung des Tumors bewertet werden, wobei eine Auswahl an hochentwickelten histopathologischen, zellulären und molekularen “‑omics” Technologien, einschliesslich der Einzelzell-RNA-Sequenzierung, zum Einsatz kommen wird.

In ähnlicher Weise werden die Auswirkungen der konditionalen, krebsspezifischen Deletion von möglichen nachgeschalteten NMDAR-Effektoren, die in der 2018 Cancer Cell Publikation beschrieben wurden, untersucht. Insbesondere werden der Transkriptionsfaktor HSF1 und der Translationsregulator FMRP unter die Lupe genommen. Es werden manipulierte Brustkrebszelllinien in Kultur und als Transplantationstumoren verwendet, um diese Effektoren weiter zu untersuchen und um aus den zahlreichen Kandidaten Schlüsselgene zu identifizieren, die von den einzelnen Effektoren reguliert werden.

Es wird eine Zusammenarbeit mit Forschern in Lund, Schweden, und in Bern aufgebaut, um Gewebe-Microarrays von menschlichem Brustkrebs auf die Expression von Komponenten des NMDAR-Signalweges zu untersuchen, insbesondere auch auf diagnostische Signalwegaktivität, die durch Immunfärbung der phosphorylierten GluN2B-Untereinheit nachgewiesen werden kann. Korrelationen mit histologischen und molekularen Subtypen des menschlichen Brustkrebses und Verknüpfungen mit schlechter Überlebensrate werden gesucht. Es werden sowohl primäre Brusttumoren als auch Metastasen in anderen Organen, wie Lunge, Leber und Knochen untersucht. Es werden Hypothesen entwickelt, die dann in geeigneten Brustkrebs-Mausmodellen überprüft werden.

Es werden mechanismusgesteuerte therapeutische Targeting-Strategien erforscht. Diese sollen entweder den NMDAR-Signalweg oder genetisch validierte, nachgeschaltete Effektoren seines malignitätssteigernden Programmes pharmakologisch hemmen und somit Invasion und Metastasierung unterbinden. Getestet werden auch rationale Kombinationen mit Medikamenten, die weitere wichtige Tumorprogressionswege stören oder die das Immunsystem so modulieren, dass die Wirksamkeit der Immuntherapie gefördert wird.

Es wird erwartet, dass diese Untersuchungen neue Chancen aufzeigen, die anschliessend in die Forschung eingebaut werden können.

Referenzen

• Li, L., & Hanahan, D. (2013). Hijacking the neuronal NMDAR signaling circuit to promote tumor growth and invasion. Cell. 153: 86-100.
• Li, L., Zeng, Q., Bhutkar, A., Galvan, J., Karamitopoulou, E., Noordermeer, D., Peng, M.W., Piersgilli, A., Perren, A., Zlobec, I., Robinson, H., Iruela-Arispe, M.L., & Hanahan D. (2018) GKAP acts as a genetic modulator of NMDAR signaling to govern invasive tumor growth. Cancer Cell, 33: 736-751.
• Zeng, Q., Michael, I.P., Zhang, P. Saghafini, S., Knott, G., Jiao, W., Brian D. McCabe, B.D., José A. Galván, J.A., Robinson, H.P.C., Zlobec, I., Ciriello, G., and Hanahan, D. (2019). Synaptic proximity enables NMDAR signaling to promote brain metastasis. Nature, 573: 526-531.