Engineering of t cells with chimeric antigen receptors as a therapy for hematologic cancers

Diogo Gomes da Silva

Informações chave

Autores:

Diogo Gomes da Silva (Diogo Gomes da Silva)

Orientadores:

Carlos Alexandre de Almeida Ramos; Joaquim Manuel Sampaio Cabral (Joaquim Manuel Sampaio Cabral)

Publicado em

17/10/2018

Resumo

Cirurgia, quimioterapia e radioterapia têm sido a base do tratamento oncológico. Estas abordagens quando combinadas com novas e precisas formas de diagnostico contribuíram para um aumento do seu sucesso. No entanto o prognóstico para a maioria dos cancros é ainda desfavorável. Dada a sua complexidade, a maioria dos cancros necessita de uma gestão mais personalizada. Recentemente o foco da oncologia tem privilegiado terapias dirigidas como por exemplo a imunoterapia. A transferência adoptiva de células T é um tipo de imunoterapia que envolve o isolamento de células T com a intenção de as estimular e expandir ex vivo, antes de serem administradas no doente. As células T podem eliminar células tumorais reconhecendo proteínas mutadas quando estas são apresentadas pelas células malignas. No entanto, apesar de evidências mais recentes sugerirem uma correlação positiva entre a infiltração de células T nos tumores e um prognóstico mais favorável, os tumores têm ao seu dispor mecanismos para evitar serem reconhecidos por células T. Receptores quiméricos de antigénio (CARs em inglês) foram desenvolvidos com o intuito de solucionar algumas das dificuldades observadas na terapia celular adoptiva. Os CAR transformam as células T em células capazes de eliminar especificamente células tumorais através do reconhecimento de qualquer molécula cuja expressão se encontre associada a um cancro em particular. A actividade de células T com CARs em cancros hematologicos de células B (através do reconhecimento do CD19) foi recentemente demostrada em ensaios clínicos em que a maioria dos doentes com tumores refractários atingiram remissão completa. Estender o sucesso desta terapia a outros tumores só será possível através da criação e desenvolvimento de CARs que reconhecem outros antigénios associados a tumores. O trabalho aqui descrito demostra que o CD7, um marcador linfocítico, é um interessante alvo para a maioria dos casos de cancros hematológicos de células T e 30% de doentes com leucemia mieloide aguda. No entanto, visto que para além das células malignas, também células T normais expressam CD7, o uso de CRISPR é necessário para a remoção do CD7 de forma a evitar o fratricídio entre células T com CAR. Células T CD7 CAR têm um papel protector em modelos pré-clínicos de ambos os tipos de leucemia e uma toxicidade limitada às células NK e T. No entanto, um outro CAR criado para reconhecer a proteína CD3- um marcador expresso na maioria dos doentes com linfomas e leucemias de células T- demostrou uma inesperada toxicidade visto que células T CD3 CAR são eliminadas por células T normais. Assim, enquanto o CD7 CAR demostrou resultados préclínicos promissores de forma a ser testado em ensaios clínicos, os resultados aqui obtidos in vitro com o CD3 CAR não são convincentes o suficiente para serem transportados para estudos clínicos. Este trabalho também realça um efeito tóxico que pode ser observado com um dos endodomínios mais usados em CARs já disponíveis clinicamente- CD137 ou 4-1BB. Embora domínios co-estimulatórios sejam necessários de forma a permitir a expansão e persistência de células T in vivo, o seu papel ainda não é completamente conhecido. Neste trabalho a inclusão do 4-1BB como domínio intracelular em vários CARs aumenta o numero de moléculas CAR na membrana celular levando a uma ativação constitutiva indesejável e à morte celular, afectando a expansão e actividade citotóxica. Alterações na sequencia do CAR ou vector viral podem normalizar a sua expressão, levando ao aumento do desempenho das células T CAR em modelos pré-clínicos. Estes modelos asseguram que CARs com 4-1BB são optimizados antes de serem testados na clinica no futuro. Surgery, chemotherapy, and radiation therapy, alone or in combination, have been the mainstay of cancer treatment. Together with newer and more accurate diagnostic tools, these approaches have contributed to substantially improved outcomes. However, the prognosis of most malignancies remains poor. Given their complexity, most cancers will ultimately require a more personalized management to achieve cure or control. Recently, the focus of cancer treatment has shifted toward targeted therapies, including immunotherapy. Adoptive T-cell therapy is a form of immunotherapy that involves the isolation of lymphocytes with the intent to stimulate and expand ex vivo potent antigen-specific T cells that are subsequently infused into a patient to treat a disease. T cells can recognize tumor cells through their mutated proteins when presented by diseased cells. However, despite some recent evidence suggesting a positive correlation between T cell tumor infiltration and better prognosis, tumors employ several clinically relevant mechanisms to avoid detection by T cells. Chimeric antigen receptors (CARs) were developed to solve some of the challenges of adoptive cell therapy. CARs transform T cells into tumor-specific killer cells capable of recognizing any molecule associated with particular malignancies. The activity of CAR-T cells against B cell malignancies (targeting CD19) was recently demonstrated in several clinical trials, in which the majority of patients with refractory or relapsed disease achieved complete remissions. Extending the success of CAR-T cells to other types of tumors will only be possible by generating and testing CARs against other tumor associated antigens. The work described here demonstrates that CD7, a lymphocytic marker, is a potential target for the majority of patients with T-cell malignancies and 30% of patients with acute myeloid leukemia. Nonetheless, since not only malignant but also normal T cells express CD7, use of the gene editing tool CRISPR/cas9 is required for removal of CD7 so as to avoid fratricide among CAR-T cells. CD7 CAR-T cells have a protective role in preclinical models for both forms of leukemia and limited off targeting of normal T and NK cells. In contrast, a CAR generated against CD3, a marker expressed in the majority of patients with T-cell lymphomas and leukemias, demonstrated unexpected toxicity because of CD3 CAR-T cell elimination by normal T cells. Thus, while CD7 CAR showed promising pre-clinical results and will be tested in clinical trials, results with CD3 CAR in vitro were not compelling enough for further clinical studies. This work also highlights a toxic effect that can be seen with one of the endodomains commonly used in clinically available CARs – CD137 or 4-1BB. Although co-stimulatory domains are required to achieve optimal in vivo expansion and persistence of CAR-T cells, both characteristics associated with better outcomes, their role it is not fully understood. This work demonstrates that the inclusion of 4-1BB as an intracellular domain into a variety of CARs increases the number of CAR molecules on the cell surface, through a positive feedback loop, which leads to undesired constitutive activation and cell death that perturbs CAR-T cell expansion and killing activity. Changes in CAR sequence and viral vector can restore normal expression of CARs, leading to increased CAR-T cell performance in preclinical models. These models ensure 4-1BB-containing CAR are optimized before being tested in the future in the clinic.