English Title: The influence of myeloid derived suppressor cells on zeta chain expression in the T cell receptor and on tumor development is a transgenic melanoma mouse model

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Abstract

Das maligne Melanom ist durch ausgeprägtes Metastasierungspotenzial gekennzeichnet, außerdem besteht Resistenz gegenüber Standardbehandlungen wie Chemotherapie oder Bestrahlung. Da dieser Tumor sehr immunogen ist, sind immuntherapeutische Behandlungen eine vielversprechende Option. Tumorinduzierte Immunsuppression setzt Vakzinierungsansätzen oder adoptivem T-Zelltransfer jedoch Grenzen. Tumoren rekrutieren Myeloide Suppressorzellen (MDSC) in sekundäre lymphatische Organe sowie ins Tumorstroma und induzieren T-Zell-Anergie. T-Zellen werden von MDSC durch Stickstoffmonoxid- (NO)- Produktion beeinflusst und verringern die Expression der zeta-Kette im T-Zellrezeptor (TCR). Für eine erfolgreiche Tumor-Immuntherapie müssen Strategien entwickelt werden, die die immunsuppressorische Wirkung der MDSC abschwächen oder neutralisieren. In der vorliegenden Arbeit wurden MDSC am ret transgenen Spontanmelanom-Mausmodel charakterisiert. Das humane maligne Melanom wird besonders gut imitiert, da aufgrund des spontanen Tumorwachstums eine natürlich Tumor- Stroma-Interaktion stattfindet. Wir detektieren signifikant erhöhte Mengen MDSC in sekundären lymphatischen Organen tumortragender Mäuse im Vergleich zu BL/6. Im Tumorstroma besonders progressiv wachsender Tumoren ist der Anteil MDSC signifikant erhöht, so dass MDSC als Marker für die Tumorprogressionsrate gelten. T-Zellen sekundärer lymphatischer Organe in tumortragenden Mäusen zeigen signifikant erniedrigte TCR-zeta-Ketten-Expression. Tumorinfiltrierende T-Zellen verringern ihre TCR-zeta-Ketten-Expression signifikant in Anhängigkeit der Tumorgröße. Koinkubationsversuche ergaben, dass MDSC aus tumortragenden Mäusen stärker suppressiv sind als MDSC aus normalen BL/6-Mäusen. Im Primärtumorgewebe sowie im Metastasengewebe in Lymphknoten besonders progressiv wachsender Tumoren liegen IL-1ß, IL10, IFN-gamma, GM-CSF und MCP-1 erhöht vor. Dies impliziert eine Rolle bei Rekrutierung myeloider Suppressorzellen. Durch Sildenafil- (Viagra®)- Behandlung tumortragender Mäuse zur Verringerung des von MDSC sezernierten NO waren wir in der Lage, die Überlebensrate signifikant zu verlängern. In tumorinfiltrierenden Lymphozyten des Primärtumors wie auch der Lymphknotenmetastasen war die Expression der TCR-zeta-Kette signifikant erhöht und damit die T-Zellkonstitution verbessert. Metastasengewebe im Lymphknoten zeigte signifikant erhöhte T-Zell- und signifikant erniedrigte MDSC Infiltration. Die entwickelte Strategie eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung des malignen Melanoms in der Klinik.

Translation of abstract (English)

Malignant melanoma, known to have a strong metastatic potential, is resistant against currently applied treatments like chemotherapy or radiation. Since melanoma is highly immunogenic, immunotherapy could be a promising approach. However, tumor induced immunosuppression limits the therapeutic efficiency of vaccination or adoptive T cell transfer. During melanoma progression myeloid derived suppressor cells (MDSC) recruited in secondary lymphatic organs and in the in the tumor stroma induce T cell anergy. MDSC influence T cells by nitric oxide (NO) production, downregulating T cell receptor (TCR)-zeta-chain expression. Strategies to neutralize the immunosuppressive capacity of MDSC are required in order to ensure successful immunotherapy. We studied MDSC in the ret transgenic melanoma mouse model. Spontaneous tumor growth in this model enables natural tumor-stroma interactions similar to human malignant melanoma. Our analysis revealed significant accumulation of MDSC in secondary lymphatic organs of tumor bearing transgenic mice in comparison to non transgenic littermates. In addition, faster growing tumors are infiltrated by significantly more MDSC, indicating that tumor infiltrating MDSC may serve as marker for the speed of tumor growth. T cells in secondary lymphatic organs significantly downregulated TCR-zeta-chain. In tumor infiltrating T cells the level of TCR-zeta-chain downregulation was correlated with the increase in tumor weight. Coincubation experiments revealed that MDSC from tumor bearing mice are not only enriched but also stronger suppressive as compared to BL/6. IL-1ß, IL-10, IFN-gamma, GM-CSF and MCP-1 are found to be enriched in fast progressing primary tumors as well as lymph node metastasis. This indicates a role of these cytokines in MDSC recruitment. Tumor bearing mice were treated orally with Phosphodiesterase-5-Inhibitor Sildenafil (Viagra®) in order to reduce NO secretion by MDSC. The survival rate of treated mice was significantly enhanced. Furthermore, we detected higher TCR-zeta-chain expression in tumor infiltrating lymphocytes (TIL) of primary tumor and metastatic lymph node tissue indicating increased T cell function. In addition, T cell infiltration in metastatic lymph nodes was significantly enhanced, whereas MDSC number was significantly decreased. The identified mechanism of the TCR-zeta-chain restoration in T cells of an immunosuppressed host provides new possibilities to improve melanoma immunotherapy.