Immunologische Mechanismen des Antitumor Effekts von zusätzlichem O2 [Hatfield SM, Kjaergaard J, Lukashev D, Schreiber TH, Belikoff B, Abbott R, Sethumadhavan.

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1 Immunologische Mechanismen des Antitumor Effekts von zusätzlichem O2 [Hatfield SM, Kjaergaard J, Lukashev D, Schreiber TH, Belikoff B, Abbott R, Sethumadhavan S, Philbrook P, Ko K, Cannici R, Thayer M, Rodig S, Kutok J, ... Sitkovsky MV. Sci Transl Med 2015;7:277ra3027:435-36] Michail Sitkovsky Ph.D: Director New England Inflammation and Tissue Protection Inst, NorthEast. Univ. Boston Dana-Farber Cancer Institute, Harvard Institute of Medicine Entdeckung des physiologischen “hypoxia-A2AR-adenosinergic” Schutzes von Normalgeweben gegen Zerstörung durch Immunzellen „ Jahre Studium der anti-pathogenen Immunantwort. Wir demonstrierten, daß es die entzündliche schaden-assoziierte Akkumulation des extrazellulären Adenosin ist, welches die Normalgewebe vor überaktiven Immunzellen schützt, durch immunsuppressive, cAMP erhöhende A2A Adenosin Rezeptoren.” (Nature N Engl J Med 2012) Entdeckung des “hypoxia-A2AR-adenosinergic” Schutzes von Krebsgeweben „Es galt zu testen, ob die hypoxischen Krebsgewebe einen ähnlichen Gewebe-Schutzmechanismus nutzen wie Normalgewebe? Das ist der Fall. Dieser wurde jetzt als Hauptmechanismus des Tumorselbstschutzes erkannt … .” (Proc Natl Acad Sci USA Front Immunol 2011) Einführung einer konzeptionell neuen Anwendung des “anti-hypoxia-A2AR-adenosinergic” synthetischen Co-Adjuvants, das die anti-tumor Immunantwort verstärkt, durch Verhinderung der Hemmung von Immunzellen in der Tumor-Mikroumgebung (TME). „Wir prüften verschiedene Typen von Medikamenten, welche die „hypoxia-A2AR-adenosinergic“ Immunosuppression in TME blockieren können. ...“ (Cancer Immunol Research 2014) Konzeptionell neue (molekulare) Motivation bzgl. medizinischer Nutzung einer respiratorischen Hyperoxie im Sinne einer “anti-Hypoxic” und “anti-A2AR-adenosinergic” gerichteten Maßnahme “Oxigenierung kann jetzt als medizinische Behandlung und als Methode zur Senkung des tumorschützen-den Adenosin-Spiegels in der TME und zur Verbesserung von Chemotherapien und Immuntherapien des Krebses eingesetzt werden. ...“ (J Mol Med 2014) Prof. Sitkovsky in IvA

2 Immunologische Mechanismen des Antitumor Effekts von zusätzlichem O2 [Hatfield SM, Kjaergaard J, Lukashev D, Schreiber TH, Belikoff B, Abbott R, Sethumadhavan S, Philbrook P, Ko K, Cannici R, Thayer M, Rodig S, Kutok J, ... Sitkovsky MV. Sci Transl Med 2015;7:277ra3027:435-36] Antitumor T-Zellen entziehen sich oder sind gehemmt in den hypoxischen und extrazellulär adenosin-reichen Tumor-Mikroumgebungen (TME) durch A2A Adenosin Rezeptoren. Diese Situation dürfte weitere Fortschritte in der Krebs-Immuntherapie begrenzen. Deshalb sind einfache, verfügbare und sichere Behandlungsmethoden erforderlich, welche die „hypoxia-adenosinergic immunosuppression“ in der TME schwächen. Kürzlich haben wir berichtet, daß eine respiratorische Hyperoxie die intratumorale Hypoxie und die Konzentration des extrazellulären Adenosin verringert. Wir zeigen, daß sie auch die „hypoxia-adenosinergic immunosuppression“ in der TME umkehrt. Dieses führt zu: verstärkte intratumorale Infiltration und reduzierte Hemmung endogen entwickelter oder adoptively transfered Tumor-reaktiver CD8 T-Zellen, erhöhter Spiegel der proinflammatorischen Zytokine und erniedrigter Spiegel immunosuppressiver Moleküle, solche wie TGF-β, geschwächte Immunsuppression seitens der regulatorischen T-Zellen, und verbesserte Regression von Lungentumoren und erhöhtes Langzeitüberleben bei Mäusen. Respiratorische Hyperoxie befördert auch die Regression von spontaner Metastasierung von transplantierten, gewachsenen Brusttumoren. Diese Effekte sind gänzlich T-Zell- und NK-Zell-abhängig. Dadurch ist die Prüfung von zusätzlichem O2 als immunologische Co-Adjuvanz in Kombination mit bekannten Krebs-Immuntherapien gerechtfertigt. Regulatorische T-Zellen = Untergruppe der T-Zellen mit der Funktion, die Aktivierung des Immunsystems zu unterdrücken. Orthotop = transplantiert

3 Der „Hypoxia-Adenosinergic Pathway“ innerhalb der Immunregulation [Leone RD, Horton MR, Powell JD. Cancer Cell 2015; 27:435-36] Durch Stabilisierung von HIF-1α treibt Hypoxie in Ent-zündungs- und Krebsgeweben die intrazelluläre Akkumulation von Adenosin hoch, verursacht durch Senkung von ATP und Adenosin Kinase (AK) Aktivität aber auch durch Anhebung von intrazellulärem AMP und der 50-Nucleotidase Aktivität (50 N). Zusätzlich führt die HIF-1α Aktivität zu verstärkter Expres-sion von transmembranen Proteinen (50-Ectonucleotidasen) CD39 und CD73, welche die enzymatische Umwandlung von ATP zu Adenosin katalysieren. Beide Mechanismen führen zur signifikanten Erhöhung der extrazellulären Adenosin-Konzentration in der Tumor-Mikroumgebung. Durch Signalweiterleitung über zwei Gs-Protein-gekoppelte Adenosin Rezeptoren (A2aR und A2bR) triggert Adenosin ein hochfahren des intrazellulären zyklischen AMP (cAMP). Inner-halb der Immun-Effektor-Zellen, wie zytotoxischen T–Zellen und NK-Zellen, regelt cAMP eine Zahl von immunsuppressi-ven Faktoren hoch (TGF-β, IL-10, CTLA-4, PD-1, Galectin-1, Fox-P3), und down-reguliert Effektormoleküle (IL-2, INF-γ, TNF-α, Perforin, IL-12, MIP1α), die in eine aktive Immun-antwort involviert sind. Krebszelle A2aR = adenosine A2a receptor; A2bR = adenosine A2b receptor; CTLA-4 = cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4; FoxP3 = forkhead box P3; HIF1-α = hypoxia inducible factor-1α; MIP1α = macrophage inflammatory protein 1α; PD-1 = programmed cell death protein 1; TGF-β = transforming growth factor-β; TNFα = tumor necrosis factor-α. CD = Cluster of Differentiation zytotox. T-Zelle

4 Immunologische Mechanismen des Antitumor Effekts von zusätzlichem O2 [Hatfield SM, Kjaergaard J, Lukashev D, Schreiber TH, Belikoff B, Abbott R, Sethumadhavan S, Philbrook P, Ko K, Cannici R, Thayer M, Rodig S, Kutok J, ... Sitkovsky MV. Sci Transl Med 2015;7:277ra3027:435-36] Respiratorische Hyperoxie för-dert Tumor Regression bei Mäusen mit 11-Tage alten MCA205 Lung-entumoren. Die Mäuse wurden nach 11 Tagen Tumorwachstum in einer Kammer mit 60% O2 platziert (60% O2*). Am Tag 21 wurden die Lungen entnommen. Eine stärkere Regression wurde be-obachtet, wenn die Mäuse in 60% O2 platziert wurden, unmittelbar nach Tumor Inoculation (60% O2). „Adoptive Immuntherapy“ in Kombination mit respiratorischer Hyperoxie ergab eine kom-plette Regression des 11-Tage alten Lungen-Tumors MCA205. Die 60%*-Mäuse wurden in der 60% O2- Kam-mer platziert, am gleichen Tag, an dem die adoptive T-Zell Immuntherapie erfolgte. Wohin-gegen die 60%-Mäuse über die gesamten 21 Tage in der O2-Kammer exponiert waren. Preparation of TDLN T cells for adoptive immunotherapy: B6 mice were inoculated subcutaneously with 1 × 106 MCA205 tumor cells in both flanks. Twelve days later, inguinal tumor draining lymph nodes (TDLNs) were harvested, and single-cell suspensions were prepared and culture-activated as described previously (30, 31, 49). Four days later, TDLN cells (Fig. 7) were resuspended in HBSS for adoptive immunotherapy (30, 31, 49). Therapeutic efficacy of transferred T effector cells was assessed in the treatment of 11-day established MCA205 pulmonary tumors by intravenous injection of 5 × 106 culture-activated T cells to each mouse. Tumor- bearing mice were pretreated intravenously with cyclophosphamide (100 mg/kg) 1 day before infusion of T cells. Cyclophosphamide treatment is routinely used to improve the therapeutic efficacy of adoptively transferred T cells and was also administered to untreated tumor-bearing control mice (38, 49).