German Title: Bewertung von Adeno-assoziierten Virus-ähnlichen Partikeln (AAVLPs) als zukünftige Kandidaten für personalisierte Krebs Vakzinierungen

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Abstract

Despite extensive research and significant advances in the past decades, cancer is still the second leading cause of deaths worldwide. Within cancer research, a promising and growing field is the immuno-oncology, which takes advantage of a patient’s immune system to elicit a protective response against malignant cells. Personalized vaccination against neoantigens is an encouraging approach to target different types of cancer. Neoantigens result from point mutations in the cancer cell genome and transform originally non-immunogenic sequences into immunogenic epitopes that overcome central immune tolerance. Despite different vaccine designs, which are primarily based on dendritic cells, DNA, RNA or synthetic peptides, additional strategies are required to reach sufficient immune responses.

In this study, a novel approach was tested by displaying (neo-)antigens on adeno-associated virus-like particles (AAVLPs) to effectively prime CD8+ T cell responses. AAV was chosen as an antigen-presentation-scaffold owing to its excellent safety profile in humans and tolerance towards genetic engineering of the capsid, allowing presentation of 60 antigen copies per particle. The general vaccination strategy was tested in mice with AAVLPs displaying the ovalbumin-derived model antigen SIINFEKL. Initial experiments showed induction of long-lasting CD8+ T cell responses, sufficient to protect mice completely from B16F10-OVA tumor growth. Based on the SIINFEKL vaccine, the strategy was optimized by defining the most suitable injection routes, adjuvants and capsid insertion sites. Highest CD8+ T cell responses were achieved when the vaccine was I) injected s.c. into the hock, II) adjuvanted with Montanide ISA 51, III) injected at a high local concentration and IV) was composed of vector DNA-containing particles that V) display the antigen in the VR-IV loop of the capsid proteins.

While tested prime-boost strategies and coupling of anti-CD40 to the capsid had no benefit for the vaccination, co-display of the immune stimulatory peptide J-ICBL improved T cell responses significantly. Interestingly, the presence of B cells was disadvantageous for the induction of antigen-specific CD8+ T cells and tumor protection, while the presence of CD4+ T cells was essential. Accordingly, T helper epitopes were identified within the AAVLP capsid sequence. In addition to SIINFEKL-presenting AAVLPs, particles were designed to present a set of different B16F10-derived neoantigens. While a head-to-head comparison showed no effect of a peptide vaccine against B16F10 tumor growth, injection of neoantigen-displaying AAVLPs significantly reduced the tumor growth rate. Although the general strategy requires further refinement and mechanistic analyses, neoantigen-AAVLPs represent an alternative for current therapy approaches and could be a promising candidate for future clinical applications.

Translation of abstract (German)

Trotz umfangreicher Forschung und signifikanter Fortschritte, ist Krebs weiterhin die zweithäufigste Todesursache weltweit. Ein vielversprechendes und wachsendes Feld im Bereich der Krebsforschung ist die Immunonkologie, welche das Immunsystem von Krebspatienten nutzt, um eine schützende Antwort gegen maligne Zellen hervorzurufen. Personalisierte Vakzinierung gegen Neoantigene ist ein aussichtsreicher Ansatz um verschiedene Arten von Krebs zu therapieren. Neoantigene entstehen durch Punktmutationen im Genom der Krebszellen und transformieren nicht-immunogene Sequenzen in immunogene Epitope, welche die zentrale Immuntoleranz überwinden können. Trotz verschiedener Vakzin-Entwürfe, welche hauptsächlich auf dendritischen Zellen, DNA, RNA oder synthetischen Peptiden beruhen, werden weitere Strategien benötig um ausreichende Immunantworten zu erreichen. In dieser Studie wurde ein neuer Ansatz getestet, in dem (Neo-)Antigene auf Adeno-assoziierten Virus-ähnlichen Partikeln (AAVLPs) präsentiert werden, um effektiv CD8+ T-Zell Antworten hervorzurufen. AAV wurde als Antigen-Träger-Partikel ausgewählt, da es ein hervorragendes Sicherheitsprofil im Menschen aufweist und das Kapsid gentechnisch verändert werden kann, so dass 60 Kopien eines Antigens pro Partikel präsentiert werden.

Die generelle Vakzinierungsstrategie wurde in Mäusen getestet, indem AAVLPs injiziert wurden, die das Ovalbumin-Modellantigen SIINFEKL präsentieren. Erste Experimente zeigten langlebige CD8+ T-Zell Antworten, die ausreichten, um Mäuse vor B16F10-OVA Tumorwachstum zu schützen. Basierend auf dem SIINFEKL-Vakzin wurde die Strategie optimiert, indem am besten geeignete Injektionsrouten, Adjuvanzien und Kapsid-Insertionsstellen definiert wurden. Die stärksten CD8+ T-Zell Antworten wurden erreicht, wenn das Vakzin I) subkutan in die Hacke injiziert, II) mit Montanide ISA 51 adjuvantiert, sowie III) mit einer lokal hohen Konzentration verabreicht wurde und IV) aus DNA-enthaltenden Partikeln bestand, die V) das Antigen im VR-IV Loop präsentierten. Während getestete Prime-Boost-Strategien und Bindung von anti-CD40 an das Kapsid keinen Vorteil erzielten, war es möglich die T-Zell Antworten durch zusätzliche Präsentation des immunstimulierenden Peptides J-ICBL signifikant zu verstärkt.

Interessanterweise war die Präsenz von B-Zellen nachteilig für die Generierung von antigenspezifischen CD8+ T-Zellen, während CD4+ T-Zellen essenziell waren. Dementsprechend wurden T-Helferepitope in der AAVLP Kapsidsequenzen identifiziert. Zusätzlich zu den SIINFEKL-präsentierenden AAVLPs wurden Partikel hergestellt, die verschiedene B16F10-Neoantigene präsentieren. In einem direkten Vergleich hatte eine Peptid-Vakzinierung keinen Effekt auf das B16F10 Tumorwachstum, während Neoantigen-präsentierende AAVLPs die Wachstumsrate signifikant verringerten. Obgleich die generelle Strategie weiterer Verbesserungen und mechanistischer Analysen bedarf, sind Neoantigen-AAVLPs eine Alternative zu geläufigen Therapieansätzen und könnten ein vielversprechender Kandidat für zukünftige klinische Anwendungen sein.