IL-21 Is an Antitolerogenic Cytokine of the Late-Phase Alloimmune Response

Objective: Interleukin-21 (IL-21) is a proinflammatory cytokine that has been shown to affect Treg/Teff balance. However, the mechanism by which IL-21 orchestrates alloimmune response and interplays with Tregs is still unclear. Research design and methods: The interplay between IL-21/IL-21R signaling, FoxP3 expression, and Treg survival and function was evaluated in vitro in immunologically relevant assays and in vivo in allogenic and autoimmune models of islet transplantation. Results: IL-21R expression decreases on T cells and B cells in vitro and increases in the graft in vivo, while IL-21 levels increase in vitro and in vivo during anti-CD3/anti-CD28 stimulation/allostimulation in the late phase of the alloimmune response. In vitro, IL-21/IL-21R signaling (by using rmIL-21 or genetically modified $CD4^+$ T cells [IL-21 pOrf plasmid–treated or hIL-21-Tg mice]) enhances the T-cell response during anti-CD3/anti-CD28 stimulation/allostimulation, prevents Treg generation, inhibits Treg function, induces Treg apoptosis, and reduces FoxP3 and FoxP3-dependent gene transcripts without affecting FoxP3 methylation status. In vivo targeting of IL-21/IL-21R expands intragraft and peripheral Tregs, promotes Treg neogenesis, and regulates the antidonor immune response, whereas IL-21/IL-21R signaling in Doxa-inducible ROSA-rtTA-IL-21-Tg mice expands Teffs and $FoxP3^−$ cells. Treatment with a combination of mIL-21R.Fc and CTLA4-Ig (an inhibitor of the early alloimmune response) leads to robust graft tolerance in a purely alloimmune setting and prolonged islet graft survival in NOD mice. Conclusions: IL-21 interferes with different checkpoints of the FoxP3 Treg chain in the late phase of alloimmune response and, thus, acts as an antitolerogenic cytokine. Blockade of the IL-21/IL-21R pathway could be a precondition for tolerogenic protocols in transplantation

Funktionelle Charakterisierung von Tumorzell-exprimiertem PD-1 in der Karzinogenese und antitumoralen Immunabwehr

Melanoma and Merkel cell carcinoma (MCC) are highly aggressive cancers of the skin that frequently escape immune recognition and acquire resistance to chemotherapeutic agents, which poses a major obstacle to successful cancer treatment. Recently, a new class of therapeutics targeting the programmed cell death-1 (PD-1) immune checkpoint receptor has shown remarkable efficacy in the treatment of both cancers. Blockade of PD-1 on T cells activates cancer-specific immune responses that can mediate tumor regression. The data presented in this Ph.D. thesis demonstrates that PD-1 is also expressed by subsets of cancer cells in melanoma and MCC. Moreover, this work identifies PD-1 as a novel tumor cell-intrinsic growth receptor, even in the absence of T cell immunity. PD-1 is expressed by tumorigenic cell subsets in melanoma patient samples and established human and murine cell lines that also co-express ABCB5, a marker of immunoregulatory tumor- initiating cells in melanoma. Consistently, melanoma-expressed PD-1 downmodulates T effector cell functions and increases the intratumoral frequency of tolerogenic myeloid- derived suppressor cells. PD-1 inhibition on melanoma cells by RNA interference, blocking antibodies, or mutagenesis of melanoma-PD-1 signaling motifs suppresses tumor growth in immunocompetent, immunocompromised, and PD-1-deficient tumor graft recipient mice. Conversely, melanoma-specific PD-1 overexpression enhances tumorigenicity, including in mice lacking adaptive immunity. Engagement of melanoma- PD-1 by its ligand PD-L1 promotes tumor growth, whereas melanoma-PD-L1 inhibition or knockout of host-PD-L1 attenuates growth of PD-1-positive melanomas. Mechanistically, the melanoma-PD-1 receptor activates mTOR signaling mediators, including ribosomal protein S6. In a proof-of-concept study, tumoral expression of phospho-S6 in pretreatment tumor biopsies correlated with clinical responses to anti-PD-1 therapy in melanoma patients. In MCC, PD-1 is similarly co-expressed by ABCB5+ cancer cell subsets in clinical tumor specimens and established human cell lines. ABCB5 renders MCC cells resistant to the standard-of-care chemotherapeutic agents, carboplatin and etoposide. Antibody-mediated ABCB5 blockade reverses chemotherapy resistance and inhibits tumor xenograft growth by enhancing chemotherapy-induced tumor cell killing. Furthermore, engagement of MCC-expressed PD-1 by its ligands, PD-L1 and PD-L2, promotes proliferation and activates MCC-intrinsic mTOR signaling. Consistently, antibody- mediated PD-1 blockade inhibits MCC tumor xenograft growth and phosphorylation of mTOR effectors in immunocompromised mice. In summary, these findings identify cancer cell-intrinsic functions of the PD-1 pathway in tumorigenesis and suggest that blocking melanoma- and MCC-expressed PD-1 might contribute to the striking clinical efficacy of anti-PD-1 therapy. Additionally, these results establish ABCB5 as a previously unrecognized chemoresistance mechanism in MCC.Das Melanom und das Merkelzellkarzinom (MZK) sind auttumoren neuroendokrinen Ursprungs, die sich durch ein besonders aggressives Wachstum auszeichnen. Melanome und MZK entgehen häufig der antitumoralen Immunabwehr und erwerben Resistenzen gegen Chemotherapeutika, was eine erfolgreiche Behandlung der betroffenen Patienten erschwert. In klinischen Studien hat eine neue Klasse von therapeutischen Antikörpern, die den Immun-Checkpoint Rezeptor PD-1 (Programmed Cell Death-1) inhibieren, hohe Ansprechraten und dauerhafte Remissionen bei Melanom- und MZK-Patienten erzielt. Die Blockade des PD-1 Rezeptors auf T-Zellen reaktiviert autologe Immunreaktionen gegen Tumorzellen, die zur Reduktion des Tumors führen können. Die vorgelegte Dissertation zeigt, dass Subpopulationen von Melanom- und MZK-Zellen PD-1 exprimieren, und dass die Aktivierung von Tumorzell-intrinsischem PD-1 einen pro-tumorigenen Mechanismus darstellt, einschliesslich in T-Zell-defizienten Mäusen. In Biopsien von Melanom-Patienten, sowie in humanen und murinen Melanom-Zelllinien wird PD-1 präferentiell von tumorigenen, immunregulatorischen, ABCB5+ Melanom-Stammzellen exprimiert. PD-1+ Melanomzellen hemmen die Aktivität von Effektor-T-Zellen und erhöhen die Anzahl der tolerogenen myeloiden Suppressorzellen im Tumor. Die Inhibierung des PD-1 Rezeptors auf Melanomzellen durch RNA-Interferenz, blockierende Antikörper oder Mutagenese der intrazellulären Signalmotive des PD-1 Proteins unterdrückt das Melanom-Wachstum in immunkompetenten, immunsupprimierten und PD-1-defizienten Mäusen. Umgekehrt führt die Melanom-spezifische Überexpression von PD-1 zu einem signifikant erhöhtem Tumorwachstum, sogar in immunsupprimierten Mäusen. Die Aktivierung des PD-1 Rezeptors auf Melanomzellen durch die Bindung seines Liganden, PD-L1, fördert das Tumorwachstum, während das protumorigene Potential von PD-1-positiven Melanomzellen durch die Inhibierung von PD-L1 auf Melanomzellen, sowie in PD-L1-defizienten Mäusen, gehemmt wird. In Melanomzellen aktiviert der PD-1 Rezeptor den mTOR Signaltransduktionsweg, einschließlich des Effektormoleküls ribosomales Protein S6. In einer Teststudie korrelierte die Expression des Phospho-S6 Proteins in Melanomzellen aus Biopsien, die vor Gabe der Immuntherapie entnommen wurden, mit den Ansprechraten der Melanom Patienten auf die Behandlung mit PD-1-Antikörpern. Auch in Biopsien von MZK-Patienten und in etablierten humanen MZK-Zelllinien wird PD-1 präferentiell von ABCB5+ Subpopulationen exprimiert. Im MZK vermittelt der ABCB5-Membrantransporter Resistenzen gegenüber den Zytostatika Carboplatin und Etoposid. Die Antikörper-vermittelte Blockade des ABCB5-Transporters sensibilisiert MZK-Zellen für die Carboplatin- und Etoposid-vermittelte Apoptose, was zu einer signifikanten Reduktion des experimentellen Tumorwachstums führt. Ähnlich wie im Melanom fördert die Bindung des PD-1 Rezeptors auf MZK Zellen durch seine Liganden, PD-L1 und PD-L2, deren Proliferation und die intrazelluläre Aktivierung der mTORSignalkaskade. Entsprechend führt die antikörper-vermittelte Blockade von PD-1 zur Inhibierung des MZK-Tumorwachstums in immunsupprimierten Mäusen und zu einer reduzierten Phosphorylierung von mTOR Effektormolekülen. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Dissertation gezeigt werden, dass Subpopulationen von Melanom- und MZK-Zellen PD-1 exprimieren, und dass Tumorzell-intrinsische PD-1-Funktionen das Krebswachstum fördern. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Blockade des PD-1-Rezeptors auf Tumorzellen zu der klinischen Wirksamkeit der anti-PD-1 Therapie beitragen könnte. Darüber hinaus konnte ABCB5 als neuer Chemoresistenz-Mechanismus in MZK identifiziert werden