Mechanismen immun-induzierter Tumorevasion

Krebs ist mit 8,8Millionen verzeichneten Todesfällen imJahre 2015 eineder Haupttodesursachen weltweit. Seit kurzem gibt es neue, vielversprechende Therapieansätze, welche unter dem Begriff Immuntherapie zusammengefasst werden. Da Krebspatienten für gewöhnlich unter einem eingeschränkten Immunsystem leiden, zielt die Immuntherapie darauf ab, diverse Zellen des Immunsystems zu reaktivieren. Natürliche Killerzellen (NK Zellen) sind Teil des angeborenen Immunsystems und der ersten Verteidigungslinie gegen Tumore. Erste Versuche, in denen aktivierte NK Zellen in Tumorpatienten transplantiert werden, zeigten großartige Erfolge. Leider gibt es Grenzen dieser Erfolgsgeschichte. Tumorzellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr wandelbar sind und sich effizient vor der Eliminierung durch Immunzellen verstecken können. Das Konzept des Immunediting beschreibt das Phänomen, dass ein vom Immunsystem ausgehender konstanter Druck Tumore dazu bringen kann, ihr Aussehen dahingehend zu verändern, dass sie resistent gegenüber Immunzellen werden. Dieses Konzept wurde in ausgewählten Tumormodellen (z.B. Chemikalien-induzierte Tumore) experimentell nachgewiesen, jedoch bleibt die Frage offen, ob dieses Konzept auch bei anderen Tumorerkrankungen eine Rolle spielt. In dem vorliegenden Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass Immunediting nicht nur in von chemikalien-induzierten Tumoren existiert. Um diese Hypothese zu beweisen, wählten wir Leukämie als Modellsystem. Bekanntermaßen sind NK Zellen Hauptakteure im Kampf gegen Leukämie. Hier stellen wir nun die Frage, ob NK Zellen auch die Fähigkeit besitzen, Leukämie- Immunediting zu erzwingen. Das Design unserer Studie erlaubt es uns zwischen folgenden zwei potentiellen Szenarien zu unterscheiden: (i) NK Zellen können den Großteil der Tumorzellen eliminieren, versagen aber in der Beseitigung von schon von vorneherein resistenten Tumorklonen (Klonale Selektion) oder (ii) NK Zellen üben Druck auf Tumorzellen aus, wodurch diese ihr Aussehen verändern (klassisches Immunediting). Außerdem zielen wir darauf ab, die der Immunresistenz zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu bestimmen. Die Anwendung eines zellulären Barcode-Systems ermöglicht es, einzelne Tumorzellen in Mäusen nachzuverfolgen. Die Kombination aus zellulärem Barcode und Next-Generation- Sequencing wird es gestatten molekulare Veränderungen zu detektieren, die ursächlich dafür verantwortlich sind, dass sich ein Tumor vor dem Immunsystem verstecken kann. Ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, die es dem Tumor erlauben dem Immunsystem zu entkommen, ist ein erster Schritt um das volle Potential von NK Zellen in der Immuntherapie zu nutzen. Schlussendlich wird diese Studie den Weg für neue Therapieansätze ebnen.

Der Begriff Tumor-Immunoediting beschreibt die zwiespältige Rolle des Immunsystems, wie Immunzellen einerseits das Tumorwachstum unterdrücken und andererseits auch fördern können. Tumor-Immunoediting ist in drei Phasen unterteilt: Eliminierung, Equilibrium (Gleichgewicht) und Escape (Flucht). Es beschreibt das Phänomen, dass ein vom Immunsystem ausgehender konstanter Druck Tumore dazu bringen kann, ihr Erscheinungsbild zu verändern, um immunresistent zu werden. Natürliche Killer (NK) Zellen gehören zur angeborenen Immunantwort und sind hauptsächlich für die Eliminierung von virusinfizierten und transformierten Tumorzellen verantwortlich. In diesem Projekt stellten wir die Hypothese auf, dass NK-Zellen auch abseits der Eliminierungsphase in allen drei Abschnitten des Tumor-Immunoeditings eine wichtige Rolle spielen. Um diese Frage zu beantworten, entwickelten wir ein in vitro Modell, in welchem murine BCR/ABLp185+ akute lymphatische Leukämiezellen (B-ALL) über einen längeren Zeitraum mit NK-Zellen kultiviert wurden. Um das NK-Zell-vermittelte Tumor-Immunoediting quantitativ zu bemessen, wurden neu generierte B-ALL Zelllinien mit einem DNA-Barcode markiert. Die Sequenz der Basenpaare wird dabei wie ein Strichcode auf Handelsprodukten als Kennzeichen für jede individuelle B-ALL Zelle verwendet. Der DNA-Barcode ist vererbbar, wodurch das Wachstum aller Tumorzellklone parallel und unter verschiedenen experimentellen Bedingungen über längere Zeiträume bestimmt werden kann. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die meisten Tumorzellklone effizient von NK-Zellen eliminiert wurden, und nur eine kleine Fraktion von Tumorzellen eine intrinsische (primäre) Resistenz gegenüber NK-Zellen aufwies. Zudem konnten wir durch die Anwendung des DNA-Barcodings die Existenz von Tumorzellklonen mit sekundärer Resistenz beweisen, welche im Verlauf der Co-Kultur eine Resistenz gegen NK-Zellen entwickelten. Dabei schien die NK-zelleigene Produktion von Interferon- (IFN-) einen erheblichen Einfluss auf die Entstehung hochresistenter Tumorzellen zu haben. Neben bekannten Regulatoren der NK-Zell-vermittelten Immunabwehr, wie beispielsweise der erhöhten MHC-I Expression, brachte unsere detaillierte Transkriptom-Analyse von NK-resistenten Tumorzellen auch neue Gene in den Fokus. Das am signifikantesten hochregulierte Gen in NK-Zell-resistenten Tumorzellen war Lymphozyten-Antigen 6A (Ly6a), welches entsprechend unserer funktionellen Tests die NK-Zellresistenz bei leukämischen Zellen förderte. Unsere Ergebnisse verdeutlichen, dass Tumorzellen während der Gleichgewichtsphase aktiv von NK-Zellen editiert werden und verschiedene Strategien nutzen, um der NK-Zell-vermittelten Eliminierung zu entkommen.