Cell Engineering: Tuning the Bioenergetics of Immune Cell Fitness, Fate, and Activation / Ingegneria cellulare: messa a punto della bioenergetica di benessere, destino e attivazione delle cellule immunitarie
Cell Engineering: Tuning the Bioenergetics of Immune Cell Fitness, Fate, and Activation / Ingegneria cellulare: messa a punto della bioenergetica di benessere, destino e attivazione delle cellule immunitarie
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Engineered immune cells such as chimeric antigen receptor T cell (CAR-T) therapy, have shown remarkable efficacy in the clinic against resistant and refractory tumors of hematopoietic origin. However, the success of engineered immune cells against solid tumors has been limited for several reasons including lack of tumor-specific antigen targets, homing to and penetration of the tumor by engineered immune cells, the immune-suppressive nature of the tumor microenvironment, and a lack of persistence of the engineered immune cells. There is an ongoing effort in the field of cell therapy to utilize genetic engineering approaches to continue to increase the activation, persistence, homing, efficacy, and safety of immune cell therapies. It has become evident that metabolic poise is likely the most objective determinant of immune cell function and persistence within the tumor microenvironment and therefore agnostic to strategies that engage various immune pathways and factors. Therefore, it can objectively establish which approach can enhance immune cell function, particularly against more formidable tumors, and advance candidate therapies to animal testing and ultimately the clinic. In this chapter, specific examples are provided where the genetic engineering of immune cells and immune cell function depends on the metabolic poise of the immune cells.
CAR Construct Design Can Enhance Immune Cell Persistence, through Modulation of Metabolism
Figure 1: T cell engineering and bioenergetics affects effector-memory function. / L'ingegneria e la bioenergetica dei linfociti T influenzano la funzione della memoria effettore.
The goal of immune cell-based engineering is to generate cell products with properties and features that improve immune cell function and enhance persistence and survival in the tumor microenvironment. The functional modulation of T cell bioenergetics is intricately linked to T cell signaling and is an important determinant of cell fate, either towards an effector or memory phenotype depending on nature of the CAR signaling domain.
Figure 5: The tumor microenvironment: Agilent Seahorse XF assays provide insights into the upstream drivers of immune responses. / Il microambiente tumorale: i test Agilent Seahorse XF forniscono informazioni sui fattori a monte delle risposte immunitarie.
T cell effector responses, including activation and differentiation, are energetically demanding processes.The tumor microenvironment can impose metabolic restrictions that limit the generation of key bioenergetic intermediates necessary to carry out T cell function. It can thereby minimize the efficacy of immune checkpoint therapies, such as PD-1 blockade. Therapeutic intervention through the modulation of key bioenergetic pathways is a promising strategy for enhancing anti-tumor responses.
Menk et. al. used the XF Cell Mito Stress Test to show that CD8+ T cells from mice treated with combined anti-PD-1 and anti-4-1BB antibodies have higher maximal respiration compared to mice treated with isotype control or anti-PD-1 alone. In addition, C57/BL6 mice that were intradermally inoculated with B16-F10 melanoma cells and given the combined immunotherapy also showed a greater reduction in tumor size compared with isotype control or anti-PD-1 alone. These results suggest that increasing the mitochondrial capacity of immune cells improves anti-tumor response.
Figure 6 : Immune checkpoint therapy with anti-PD1 plus anti-41BB treatment improves mitochondrial capacity, with improved anti-tumor function. / La terapia del checkpoint immunitario con trattamento anti-PD1 più anti-41BB migliora la capacità mitocondriale, con una migliore funzione antitumorale
The Impact of Tumor Microenvironment on T Cell Effector Function through the ER Stress Response and Downregulation of Mitochondrial Bioenergetics
Figure 7: Effect of the tumor microenvironment on T cell effector function. / Effetto del microambiente tumorale sulla funzione effettrice delle cellule T
The tumor microenvironment suppresses T cell effector function by activating the endoplasmic reticulum (ER) stress response through the IRE1α-XBP-1 unfolded protein response signaling pathway. Activation of IRE1α-XBP-1, in turn, suppresses metabolism and mitochondrial bioenergetics by limiting the availability of glutamine, a key substrate required for mitochondrial bioenergetics. Both pharmacological inhibition and genetic downregulation of this pathway restores, T cell function and their anti-tumor activity.
Figure 8: Controlling endoplasmic reticulum stress by targeting IRE1α–XBP1 signaling in T cells may help to restore metabolic fitness and anti-tumor capacity. / Il controllo dello stress del reticolo endoplasmatico mirando alla segnalazione IRE1α-XBP1 nei linfociti T può aiutare a ripristinare l'idoneità metabolica e la capacità antitumorale.
When analyzed using the XF Cell Mito Stress Test, CD4+ T cells exposed to varying concentrations of malignant ascites fluid from subjects with ovarian cancer showed a dose-dependent decrease in mitochondrial function. Treatment with 4µ8C, an inhibitor of the ER stress protein IRE1-α, in the presence of the same ascites, restored mitochondrial function indicating that the ER stress response could reduce T cell fitness. Mice that bear ovarian cancer and XBP-1 deficient T cells displayed improved mitochondrial function and increased IFN-γ secretion with higher overall survival, demonstrating that restoration of these CD4+ T cells was protective.
ITALIANO
Cellule immunitarie ingegnerizzate come la terapia con cellule T del recettore dell'antigene chimerico (CAR-T), hanno mostrato una notevole efficacia in clinica contro tumori resistenti e refrattari di origine ematopoietica. Tuttavia, il successo delle cellule immunitarie ingegnerizzate contro i tumori solidi è stato limitato per diversi motivi, tra cui la mancanza di bersagli antigenici specifici del tumore, la penetrazione e la penetrazione del tumore da parte delle cellule immunitarie ingegnerizzate, la natura immunosoppressiva del microambiente tumorale e un mancanza di persistenza delle cellule immunitarie ingegnerizzate. C'è uno sforzo in corso nel campo della terapia cellulare per utilizzare approcci di ingegneria genetica per continuare ad aumentare l'attivazione, la persistenza, l'homing, l'efficacia e la sicurezza delle terapie immunitarie. È diventato evidente che l'equilibrio metabolico è probabilmente il determinante più oggettivo della funzione e della persistenza delle cellule immunitarie all'interno del microambiente tumorale e quindi agnostico rispetto a strategie che coinvolgono vari percorsi e fattori immunitari. Pertanto, può stabilire oggettivamente quale approccio può migliorare la funzione delle cellule immunitarie, in particolare contro i tumori più formidabili, e far avanzare le terapie candidate alla sperimentazione animale e, in definitiva, alla clinica. In questo capitolo vengono forniti esempi specifici in cui l'ingegneria genetica delle cellule immunitarie e la funzione delle cellule immunitarie dipende dall'equilibrio metabolico delle cellule immunitarie.
Il progetto del costrutto CAR può migliorare la persistenza delle cellule immunitarie, attraverso la modulazione del metabolismo
L'obiettivo dell'ingegneria basata sulle cellule immunitarie è generare prodotti cellulari con proprietà e caratteristiche che migliorano la funzione delle cellule immunitarie e migliorano la persistenza e la sopravvivenza nel microambiente tumorale. La modulazione funzionale della bioenergetica delle cellule T è strettamente legata alla segnalazione delle cellule T ed è un importante determinante del destino cellulare, sia verso un fenotipo effettore che verso la memoria, a seconda della natura del dominio di segnalazione CAR.
Kawalekar et. al. ha utilizzato l'XF Cell Mito Stress Test per dimostrare che la scelta del dominio di segnalazione CAR determina il fenotipo bioenergetico delle cellule CD8+ CAR-T dopo la stimolazione antigenica, nonché la loro persistenza in vitro e differenziazione della memoria. In un periodo di 21 giorni, le cellule CAR-T contenenti il dominio di segnalazione 4-1BB sono progredite verso l'esibizione di una maggiore capacità respiratoria di riserva, che è culminata in una maggiore persistenza in vitro e una maggiore differenziazione della memoria centrale rispetto alle cellule CAR-T contenenti la segnalazione CD28 dominio
La riprogrammazione metabolica mediante l'ingegneria genetica delle cellule immunitarie può ripristinare la funzione antitumorale
Il microambiente tumorale (TME) rappresenta un ambiente restrittivo ipossico e privo di nutrienti chiave che portano all'esaurimento delle cellule immunitarie. La funzione mitocondriale delle cellule immunitarie, in particolare la fosforilazione ossidativa, è significativamente influenzata ed è un determinante chiave dell'esaurimento delle cellule immunitarie. La riprogrammazione metabolica delle cellule immunitarie mediante la sovraespressione di geni chiave come PGC1-α ripristina la funzione mitocondriale e aumenta la massa mitocondriale, invertendo l'esaurimento delle cellule immunitarie e ripristinando la funzione antitumorale.
Sharping et. al. ha recentemente utilizzato l'XF Cell Mito Stress Test per dimostrare che le cellule T OT-I trasdotte retroviralmente con un vettore codificante PGC1-α hanno migliorato la funzione mitocondriale. Questo miglioramento è stato indicato da un aumento della capacità respiratoria di riserva senza cambiamenti nella glicolisi basale (misurata come tasso di acidificazione extracellulare [ECAR]). L'aumento della biogenesi dei mitocondri delle cellule T migliora la funzione delle cellule T intratumorali, rappresentata come una diminuzione dell'area tumorale che porta a modelli in vivo di sopravvivenza estesa.
La terapia del checkpoint immunitario combinatorio migliora la funzione delle cellule immunitarie e l'esito antitumorale migliorando la forma fisica metabolica
Le risposte effettrici delle cellule T, inclusa l'attivazione e la differenziazione, sono processi che richiedono energia. Il microambiente tumorale può imporre restrizioni metaboliche che limitano la generazione di intermedi bioenergetici chiave necessari per svolgere la funzione delle cellule T. Può quindi ridurre al minimo l'efficacia delle terapie del checkpoint immunitario, come il blocco del PD-1. L'intervento terapeutico attraverso la modulazione dei principali percorsi bioenergetici è una strategia promettente per migliorare le risposte antitumorali.
Menk et. al. ha utilizzato l'XF Cell Mito Stress Test per dimostrare che i linfociti T CD8+ di topi trattati con anticorpi combinati anti-PD-1 e anti-4-1BB hanno una respirazione massima più elevata rispetto ai topi trattati con controllo isotipico o solo anti-PD-1. Inoltre, i topi C57/BL6 che sono stati inoculati per via intradermica con cellule di melanoma B16-F10 e sottoposti all'immunoterapia combinata hanno anche mostrato una maggiore riduzione delle dimensioni del tumore rispetto al controllo isotipico o al solo anti-PD-1. Questi risultati suggeriscono che l'aumento della capacità mitocondriale delle cellule immunitarie migliora la risposta antitumorale.
L'impatto del microambiente tumorale sulla funzione effettore dei linfociti T attraverso la risposta allo stress ER e la downregulation della bioenergetica mitocondriale
Il microambiente tumorale sopprime la funzione effettrice delle cellule T attivando la risposta allo stress del reticolo endoplasmatico (ER) attraverso la via di segnalazione della risposta proteica spiegata IRE1α-XBP-1. L'attivazione di IRE1α-XBP-1, a sua volta, sopprime il metabolismo e la bioenergetica mitocondriale limitando la disponibilità di glutammina, un substrato chiave richiesto per la bioenergetica mitocondriale. Sia l'inibizione farmacologica che la downregulation genetica di questo percorso ripristinano la funzione dei linfociti T e la loro attività antitumorale.
Quando analizzati utilizzando l'XF Cell Mito Stress Test, i linfociti T CD4+ esposti a concentrazioni variabili di liquido di ascite maligna da soggetti ovarico mostrato una probabile dose-dipendente della funzione mitocondriale. Il trattamento con 4µ8C, un inibitore della proteina ER stress IRE1-α, in presenza della stessa ascite, ha ripristinato la funzione mitocondriale indicando che la risposta allo stress ER potrebbe ridurre la forma fisica dei linfociti T. I topi portatori di cancro ovarico e cellule T carenti di XBP-1 hanno mostrato una migliore funzione mitocondriale e una maggiore secrezione di IFN-γ con una sopravvivenza globale più elevata, dimostrando il recupero di queste cellule T CD4 + era protettivo.
Da:
https://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/547446/Technology%20Networks/Landing%20Pages/Agilent/2022/February/5994-3004en-agilent-eBook-imt_20211103%20(1)-1.pdf?__hstc=8807082.074aceb79027e793890018c0152531d2.1643566337753.1651968444990.1652226171213.39&__hssc=8807082.1.1652226171213&__hsfp=310604088&hsCtaTracking=6bcb3717-55b2-4bce-9aec-29707ead4b9e%7Cef86c075-592c-41fb-902a-a9dbb69b29da
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