A Biomaterial-based Vaccine for Blood Cancer / Un vaccino a base di biomateriali per il cancro del sangue
A Biomaterial-based Vaccine for Blood Cancer / Un vaccino a base di biomateriali per il cancro del sangue
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Acute myeloid leukemia (AML) is a deadly blood cancer that originates in the bone marrow and kills most of its victims within five years. Chemotherapy has been the standard AML treatment for over 40 years, and while it often causes the cancer to go into remission, it rarely completely eliminates the cancerous cells, which then lead to disease recurrence in nearly half of treated patients. Aggressive post-remission treatments, like high-dose chemotherapy or bone marrow transplants, can reduce the chance of recurrence, but many AML patients are not healthy enough to tolerate them.
Now, a new study presents an alternative treatment that has the potential to eliminate AML cells completely: an injectable, biomaterial-based vaccine that, when combined with standard chemotherapy, caused complete and lasting recovery from and immunity against AML in mice. The study was conducted by researchers from Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), and Department of Stem Cell and Regenerative Biology, and the Harvard Stem Cell Institute (HSCI), and is published in Nature Biomedical Engineering.
“We have previously developed cancer vaccines against solid tumors, and we were curious to see if this technology would also be effective at treating a blood cancer like AML,” said co-first author Nisarg Shah, Ph.D., an Assistant Professor at the University of California, San Diego who conducted this research as a Postdoctoral Fellow in the lab of Wyss Core Faculty member David Mooney, Ph.D. “The promising outcomes of the combination of this vaccine with chemotherapy may translate to human vaccines that can be personalized yet offer off-the-shelf convenience.”
Now, a new study presents an alternative treatment that has the potential to eliminate AML cells completely: an injectable, biomaterial-based vaccine that, when combined with standard chemotherapy, caused complete and lasting recovery from and immunity against AML in mice. The study was conducted by researchers from Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), and Department of Stem Cell and Regenerative Biology, and the Harvard Stem Cell Institute (HSCI), and is published in Nature Biomedical Engineering.
“We have previously developed cancer vaccines against solid tumors, and we were curious to see if this technology would also be effective at treating a blood cancer like AML,” said co-first author Nisarg Shah, Ph.D., an Assistant Professor at the University of California, San Diego who conducted this research as a Postdoctoral Fellow in the lab of Wyss Core Faculty member David Mooney, Ph.D. “The promising outcomes of the combination of this vaccine with chemotherapy may translate to human vaccines that can be personalized yet offer off-the-shelf convenience.”
A crafty cryogel
Like other vaccines, the AML vaccine “teaches” the body’s immune system to recognize a foreign invader (in this case, AML cancer cells) so that it can mount an effective attack when that invader appears. While traditional vaccines are typically liquid, this vaccine is a tiny, disk-shaped “cryogel” scaffold made primarily of two materials – polyethylene glycol and alginate – that have been cross-linked together to form a matrix. Two biomolecules (GM-CSF and CpG-ODN) are embedded in the scaffold to attract the body’s dendritic cells and activate them, along with antigens specific to AML cells (either contents from dead AML cells or a peptide from the protein WT-1 that AML cells express on their surface). The activated dendritic cells take up the antigens from the vaccine site and present them to T cells, triggering them to seek and destroy AML cells and, hopefully, patrol the body long-term to destroy any disease recurrence.
To test whether their cryogel vaccine effectively primed the immune system to attack AML cells, the team injected it under the skin of healthy mice, and saw that it resulted in a much higher number of activated T cells when either AML cell contents or WT-1 peptide was used as the antigen, compared with mice that received the activating biomolecules via a traditional vaccine injection or a “blank” scaffold without any biomolecules. They then “challenged” the mice by injecting them with WT-1-expressing AML cells to mimic the initial onset of the disease. The mice that received either the traditional vaccine or a blank scaffold succumbed to the disease within 60 days, while those that received the cryogel vaccine survived. The survivors were then re-challenged with a second dose of AML cells after 100 days and displayed no signs of disease, demonstrating that the vaccine successfully protected them against recurrence.
Because AML originates in the bone marrow and cancerous cells can “hide” there to escape chemotherapy treatment, the team analyzed the mice’s bone marrow. They found large numbers of active T cells and no trace of AML cells in the cryogel-vaccinated mice’s marrow. When they transplanted bone marrow from those mice into healthy mice that were then challenged with AML cells, all of the transplant recipients survived while a control group of mice succumbed to AML within 30 days, indicating that the immune protection against AML was sustained and transferable.
Unexpected results, better-than-expected outcomes
To more closely mimic the clinical scenario of a human patient developing AML, the team injected their cryogel vaccine into mice that had AML along with the standard chemotherapy regimen that AML patients receive, which causes fast-dividing AML cells to die in large numbers. The activated T cell response in mice that received the combo therapy was six-fold higher than in mice that received chemo plus a traditional liquid vaccine, suggesting that the cryogel was a much more effective vehicle for delivering the activating biomolecules to the immune system.
To test the durability of the immune response generated by the combo treatment, they harvested bone marrow from mice that were given the cryogel vaccine with WT-1 peptide along with chemotherapy and transplanted it into healthy mice. None of the recipient mice developed AML for up to 14 days after transplant, indicating that the combo-treated donor mice did not have residual AML cells in their marrow. All the recipient mice also survived a later challenge with AML cells, while mice that did not receive donor bone marrow died within 31 days.
But, when the researchers started to tinker with the vaccine’s components to investigate why it worked so well, they saw something completely unexpected: vaccines that had no AML antigen in them were just as effective at providing protection as vaccines containing either AML cell contents or WT-1 peptide.
When the chemo causes large numbers of AML cells to die, the dendritic cells can pick up their remains as antigens and generate a strong signal to activate T cells against AML.
“We were definitely surprised and really didn’t expect this result, because we initially thought that including the antigen in the vaccine was critical. That led us down some research avenues we hadn’t previously considered to try and understand what was going on,” said co-first author Alex Najibi, a graduate student in the Mooney lab. “We found that AML cells actually enter the cryogels over time, right where dendritic cells are already concentrated and activated. When the chemo causes large numbers of AML cells to die, the dendritic cells can pick up their remains as antigens and generate a strong signal to activate T cells against AML.”
To further evaluate the efficacy of their antigen-free vaccine and chemotherapy combo, the team analyzed the bone marrow of mice with AML that received either the combo or the antigen-free vaccine alone. They found that the antigen-free vaccine alone did not effectively reduce the amount of AML cells in the marrow or increase the number of active T cells, but the combo therapy achieved both of those goals. The combo also caused a decline in the number of regulatory T cells (Tregs) in the marrow, which suppress immune function and are thought to be a major reason why AML cells in the marrow can evade immune detection.
Work on the cryogel vaccine is continuing along multiple threads of inquiry. Mooney’s team is examining how it could be combined with sequencing technology to identify antigens that are specific to a single patient’s cancer and create a highly personalized vaccine, and also exploring potential synergies with T cell and other adoptive transfer techniques. Other members of the lab are researching antigen-free vaccines in the context of breast cancer, as well as further investigating the response they observed in AML.
“We are very excited about the performance of our AML vaccine, because it could finally provide long-term, relapse-free survival for AML patients, either to ‘clean up’ residual AML cells in the bone marrow following a stem cell transplant, or in older patients who cannot tolerate either transplants or high-dose chemo,” said Mooney, who is also the Founding Core Faculty & Lead of the Immuno-Materials platform at the Wyss Institute at Harvard University and the Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering at SEAS.
To further evaluate the efficacy of their antigen-free vaccine and chemotherapy combo, the team analyzed the bone marrow of mice with AML that received either the combo or the antigen-free vaccine alone. They found that the antigen-free vaccine alone did not effectively reduce the amount of AML cells in the marrow or increase the number of active T cells, but the combo therapy achieved both of those goals. The combo also caused a decline in the number of regulatory T cells (Tregs) in the marrow, which suppress immune function and are thought to be a major reason why AML cells in the marrow can evade immune detection.
Work on the cryogel vaccine is continuing along multiple threads of inquiry. Mooney’s team is examining how it could be combined with sequencing technology to identify antigens that are specific to a single patient’s cancer and create a highly personalized vaccine, and also exploring potential synergies with T cell and other adoptive transfer techniques. Other members of the lab are researching antigen-free vaccines in the context of breast cancer, as well as further investigating the response they observed in AML.
“We are very excited about the performance of our AML vaccine, because it could finally provide long-term, relapse-free survival for AML patients, either to ‘clean up’ residual AML cells in the bone marrow following a stem cell transplant, or in older patients who cannot tolerate either transplants or high-dose chemo,” said Mooney, who is also the Founding Core Faculty & Lead of the Immuno-Materials platform at the Wyss Institute at Harvard University and the Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering at SEAS.
ITALIANO
La leucemia mieloide acuta (LMA) è un tumore del sangue mortale che ha origine nel midollo osseo e uccide la maggior parte delle sue vittime entro cinque anni. La chemioterapia è stata il trattamento AML standard per oltre 40 anni e, sebbene spesso causi la remissione del cancro, raramente elimina completamente le cellule cancerose, che portano quindi alla recidiva della malattia in quasi la metà dei pazienti trattati. I trattamenti post-remissione aggressivi, come la chemioterapia ad alte dosi o i trapianti di midollo osseo, possono ridurre la possibilità di recidiva, ma molti pazienti con LMA non sono abbastanza sani da tollerarli.
Ora, un nuovo studio presenta un trattamento alternativo che ha il potenziale per eliminare completamente le cellule AML: un vaccino iniettabile a base biomateriale che, combinato con la chemioterapia standard, ha causato un recupero completo e duraturo dall'immunità contro l'AML nei topi. Lo studio è stato condotto da ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Dipartimento di cellule staminali e biologia rigenerativa, e Harvard Stem Cell Institute (HSCI), ed è pubblicato su Nature Biomedical Engineering.
"In precedenza abbiamo sviluppato vaccini contro il cancro contro i tumori solidi ed eravamo curiosi di vedere se questa tecnologia sarebbe stata efficace anche nel trattamento di un tumore del sangue come la LMA", ha affermato il co-primo autore Nisarg Shah, Ph.D., Assistente alla l'Università della California, San Diego, che ha condotto questa ricerca come borsista post-dottorato nel laboratorio del membro della Facoltà del Wyss Core David Mooney, Ph.D. "I risultati promettenti della combinazione di questo vaccino con la chemioterapia possono tradursi in vaccini umani che possono essere personalizzati ma offrono praticità immediata".
Un criogele furbo
Come altri vaccini, il vaccino AML "insegna" al sistema immunitario del corpo a riconoscere un invasore straniero (in questo caso, le cellule tumorali AML) in modo che possa innescare un attacco efficace quando appare quell'invasore. Mentre i vaccini tradizionali sono in genere liquidi, questo vaccino è un piccolo scaffold a forma di disco "cryogel" composto principalmente da due materiali - polietilenglicole e alginato - che sono stati reticolati insieme per formare una matrice. Due biomolecole (GM-CSF e CpG-ODN) sono incorporate nell'impalcatura per attirare le cellule dendritiche del corpo e attivarle, insieme ad antigeni specifici per le cellule AML (o contenuto da cellule AML morte o un peptide dalla proteina WT-1 che Le cellule AML si esprimono sulla loro superficie). Le cellule dendritiche attivate assorbono gli antigeni dal sito del vaccino e li presentano alle cellule T, innescandoli per cercare e distruggere le cellule AML e, si spera, pattugliare il corpo a lungo termine per distruggere qualsiasi ricorrenza della malattia.
Per verificare se il loro vaccino contro il criogel ha efficacemente innescato il sistema immunitario per attaccare le cellule AML, il team lo ha iniettato sotto la pelle di topi sani e ha visto che ha provocato un numero molto più elevato di cellule T attivate quando il contenuto delle cellule AML o WT-1 il peptide è stato usato come antigene, rispetto ai topi che hanno ricevuto le biomolecole attivanti tramite un'iniezione di vaccino tradizionale o uno scaffold "vuoto" senza biomolecole. Hanno quindi "sfidato" i topi iniettandoli con cellule AML che esprimono WT-1 per imitare l'inizio iniziale della malattia. I topi che hanno ricevuto il vaccino tradizionale o un'impalcatura bianca hanno ceduto alla malattia entro 60 giorni, mentre quelli che hanno ricevuto il vaccino criogenico sono sopravvissuti. I sopravvissuti sono stati quindi ricontestati con una seconda dose di cellule AML dopo 100 giorni e non hanno mostrato segni di malattia, dimostrando che il vaccino li ha protetti con successo dalla recidiva.
Poiché la LMA ha origine nel midollo osseo e le cellule cancerose possono "nascondersi" lì per sfuggire al trattamento chemioterapico, il team ha analizzato il midollo osseo dei topi. Hanno trovato un gran numero di cellule T attive e nessuna traccia di cellule AML nel midollo dei topi vaccinati con criogel. Quando hanno trapiantato il midollo osseo da quei topi in topi sani che sono stati poi sfidati con le cellule AML, tutti i soggetti sottoposti a trapianto sono sopravvissuti mentre un gruppo di controllo di topi ha ceduto all'AML entro 30 giorni, indicando che la protezione immunitaria contro l'AML era sostenuta e trasferibile.
Risultati inaspettati, risultati migliori del previsto
Per imitare più da vicino lo scenario clinico di un paziente umano che sviluppa LMA, il team ha iniettato il suo vaccino criogelico in topi che avevano LMA insieme al regime di chemioterapia standard che i pazienti con LMA ricevono, il che provoca la morte rapida delle cellule di LMA in numero elevato. La risposta delle cellule T attivata nei topi che hanno ricevuto la terapia combinata è stata sei volte superiore rispetto ai topi che hanno ricevuto la chemio più un vaccino liquido tradizionale, suggerendo che il criogel era un veicolo molto più efficace per fornire le biomolecole attivanti al sistema immunitario.
Per testare la durata della risposta immunitaria generata dal trattamento combinato, hanno raccolto il midollo osseo dai topi ai quali è stato somministrato il vaccino criogelico con peptide WT-1 insieme alla chemioterapia e lo hanno trapiantato in topi sani. Nessuno dei topi riceventi ha sviluppato AML fino a 14 giorni dopo il trapianto, indicando che i topi donatori trattati in combinazione non avevano cellule AML residue nel loro midollo. Tutti i topi riceventi sono sopravvissuti anche a una successiva sfida con le cellule AML, mentre i topi che non hanno ricevuto il midollo osseo del donatore sono morti entro 31 giorni.
Ma quando i ricercatori hanno iniziato ad armeggiare con i componenti del vaccino per indagare sul perché funzionasse così bene, hanno visto qualcosa di completamente inaspettato: i vaccini che non contenevano antigene AML erano altrettanto efficaci nel fornire protezione quanto i vaccini contenenti il contenuto di cellule AML o WT -1 peptide.
Quando la chemio provoca la morte di un gran numero di cellule AML, le cellule dendritiche possono raccogliere i loro resti come antigeni e generare un segnale forte per attivare le cellule T contro l'AML.
"Siamo rimasti decisamente sorpresi e non ci aspettavamo davvero questo risultato, perché inizialmente pensavamo che includere l'antigene nel vaccino fosse fondamentale. Ciò ci ha portato verso alcune strade di ricerca che in precedenza non avevamo considerato per cercare di capire cosa stesse succedendo ", ha dichiarato il co-primo autore Alex Najibi, uno studente laureato nel laboratorio di Mooney. "Abbiamo scoperto che le cellule AML in realtà entrano nei criogeli nel tempo, proprio dove le cellule dendritiche sono già concentrate e attivate. Quando la chemio provoca la morte di un gran numero di cellule AML, le cellule dendritiche possono raccogliere i loro resti come antigeni e generare un segnale forte per attivare le cellule T contro l'AML. "
Per valutare ulteriormente l'efficacia del loro vaccino privo di antigeni e la combinazione di chemioterapia, il team ha analizzato il midollo osseo dei topi con LMA che ha ricevuto solo il combo o il vaccino privo di antigeni. Hanno scoperto che il solo vaccino privo di antigeni non ha ridotto efficacemente la quantità di cellule AML nel midollo o aumentato il numero di cellule T attive, ma la terapia combinata ha raggiunto entrambi questi obiettivi. La combinazione ha anche causato un declino del numero di cellule T regolatorie (Tregs) nel midollo, che sopprimono la funzione immunitaria e si ritiene che siano una delle ragioni principali per cui le cellule AML nel midollo possono eludere il rilevamento immunitario.
Il lavoro sul vaccino criogel sta proseguendo lungo molteplici fili di indagine. Il gruppo di Mooney sta esaminando come potrebbe essere combinato con la tecnologia di sequenziamento per identificare antigeni specifici per il cancro di un singolo paziente e creare un vaccino altamente personalizzato, e anche esplorare potenziali sinergie con le cellule T e altre tecniche di trasferimento adottivo. Altri membri del laboratorio stanno studiando vaccini privi di antigeni nel contesto del carcinoma mammario, oltre a studiare ulteriormente la risposta osservata nella LMA.
"Siamo molto entusiasti delle prestazioni del nostro vaccino AML, perché potrebbe finalmente fornire una sopravvivenza a lungo termine e senza ricadute per i pazienti con AML, sia per" ripulire "le cellule AML residue nel midollo osseo a seguito di un trapianto di cellule staminali, oppure nei pazienti più anziani che non tollerano né i trapianti né la chemioterapia ad alte dosi ", ha affermato Mooney, che è anche la Faculty Core Faculty e Lead della piattaforma Immuno-Materials presso il Wyss Institute dell'Università di Harvard e il Professore di Bioingegneria della famiglia Robert P. Pinkas a SEAS.
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