Uno studio della Ludwig Cancer Research ha scoperto un meccanismo mediante il quale il duro ambiente interno del tumore sabota i linfociti T, principali agenti cellulari della risposta immunitaria antitumorale.
Riportato in Nature Immunology, lo studio descrive come una varietà di fattori di stress prevalenti nel microambiente tumorale interrompa i generatori di energia, o mitocondri, dei linfociti T infiltranti il tumore (TIL) , spingendoli in uno stato permanentemente pigro noto come esaurimento terminale.
Lo studio, condotto dal membro associato di Ludwig Lausanne Ping-Chih Ho, ha anche scoperto che un integratore alimentare ampiamente disponibile – nicotinamide riboside (NR) – aiuta i TIL a superare la disfunzione mitocondriale e preserva la loro capacità di attaccare i tumori nei modelli murini di melanoma e cancro del colon .
“I TIL hanno spesso un’elevata affinità per gli antigeni espressi dalle cellule tumorali”, afferma Ho.
“Ciò significa che, in linea di principio, dovrebbero attaccare vigorosamente le cellule tumorali. Ma spesso non lo vediamo. Le persone si sono sempre chieste perché perché suggerisce che i migliori soldati del sistema immunitario sono vulnerabili quando entrano nel campo di battaglia del tumore.
Il nostro studio fornisce una comprensione meccanicistica del motivo per cui ciò accade e suggerisce una possibile strategia per prevenire l’effetto che può essere rapidamente valutato negli studi clinici “.
I recessi interni dei tumori sono spesso affamati di ossigeno e di sostanze nutritive essenziali, come il glucosio zuccherino. Le cellule in queste condizioni di stress regolano i loro processi metabolici per compensare, ad esempio producendo più mitocondri e bruciando le loro riserve di grasso per produrre energia.
Nei tumori, è noto che la stimolazione prolungata da parte degli antigeni del cancro spinge i TIL in uno stato di esaurimento contrassegnato dall’espressione di PD-1, una proteina di segnalazione che sopprime le risposte delle cellule T ed è mirata alle immunoterapie esistenti “blocco del checkpoint” .
Se sostenuto, tale esaurimento può diventare permanente, persistendo anche quando viene rimosso lo stimolo degli antigeni del cancro.
Ho e i suoi colleghi hanno scoperto che i TIL esausti sono pieni di mitocondri danneggiati o “depolarizzati”. Come le vecchie batterie, i mitocondri depolarizzati essenzialmente mancano del voltaggio richiesto dagli organelli per generare energia.
“La nostra analisi funzionale ha rivelato che quei linfociti T con i mitocondri più depolarizzati si sono comportati come i linfociti T esauriti”, ha detto Ho.
Ho e colleghi dimostrano che l’accumulo di mitocondri depolarizzati è causato principalmente dall’incapacità del TIL di rimuovere e digerire quelli danneggiati attraverso un processo noto come mitofagia.
“I TIL possono ancora creare nuovi mitocondri ma, poiché non rimuovono quelli vecchi, non hanno lo spazio per accogliere quelli nuovi”, ha detto Ho.
I genomi di questi TIL sono anche riprogrammati da modifiche epigenetiche – gruppi chimici aggiunti al DNA e al suo confezionamento proteico – per indurre modelli di espressione genica associati all’esaurimento terminale.
I ricercatori hanno scoperto che la ripartizione della mitofagia deriva da una convergenza di fattori: stimolazione cronica da parte degli antigeni del cancro, segnalazione PD-1 e stress metabolico dei nutrienti e privazione dell’ossigeno.
Mostrano anche che la riprogrammazione epigenetica che fissa i TIL in uno stato di esaurimento terminale è una conseguenza, non una causa, della disfunzione mitocondriale.
Il lavoro correlato svolto da altri ricercatori – inclusi i coautori dello studio attuale, l’investigatore Ludwig Lausanne Nicola Vannini e il direttore della filiale di Ludwig Lausanne George Coukos – ha dimostrato che NR, un analogo chimico della vitamina B3, può aumentare la mitofagia e migliorare la forma varietà di altri tipi di cellule.
Con questo in mente, i ricercatori hanno esaminato se NR potrebbe anche impedire ai TIL di impegnarsi nell’esaurimento terminale.
I loro esperimenti di coltura cellulare hanno dimostrato che il supplemento ha migliorato la forma e la funzione mitocondriale delle cellule T cresciute sotto stress simili a quelle del microambiente tumorale.
Più in particolare, l’integrazione alimentare con NR ha stimolato l’attività antitumorale dei TIL in un modello murino di cancro della pelle e del colon. Quando combinato con anti-PD-1 e un altro tipo di blocco del checkpoint, l’immunoterapia anti-CTLA-4, ha inibito significativamente la crescita dei tumori nei topi.
“Abbiamo dimostrato che potremmo essere in grado di utilizzare un approccio nutrizionale per migliorare l’immunoterapia con blocco del checkpoint per il cancro”, ha detto Ho.
Lui ei suoi colleghi stanno ora esplorando i segnali provenienti dai mitocondri depolarizzati che riprogrammano epigeneticamente i TIL per l’esaurimento terminale, informazioni che potrebbero essere più generalmente applicate per migliorare l’immunoterapia contro il cancro.
Le cellule cancerose in rapida proliferazione hanno esigenze metaboliche alterate, incluso un aumento del tasso di ciclicità della nicotinamide adenina dinucleotide (NAD) rispetto alle cellule normali1–3. Il NAD è un substrato essenziale per il mantenimento della bioenergetica cellulare e il supporto delle proteine dipendenti dal NAD, parte integrante della riparazione del DNA, dell’integrità genomica e della regolazione della trascrizione, della segnalazione e dello stress ossidativo3-5.
In diversi tipi di cancro, l’esaurimento prolungato del NAD ha dimostrato di innescare l’apoptosi e l’autofagia, indicando una dipendenza cellulare dal mantenimento di livelli adeguati6-8.
Il NAD cellulare può essere prodotto attraverso diverse vie di sintesi ridondanti, alcune delle quali includono enzimi che sono sovraespressi o messi a tacere in alcuni tipi di cancro3,9-16. Il percorso di salvataggio rappresenta uno di questi percorsi di importanza chiave nel cancro, che funziona per riciclare la nicotinamide (NAM), il prodotto degli enzimi che consumano NAD +, di nuovo in NAD + 17.
Nella via di salvataggio, la nicotinamide fosforibosiltransferasi (NAMPT) agisce come l’enzima limitante la velocità e produce nicotinamide mononucleotide (NMN), un precursore del NAD3,15-17. In alcuni tipi di cancro, è stato dimostrato che l’espressione del NAMPT promuove la cancerogenesi ed è associata a prognosi peggiore3,9,16.
Preclinicamente, è stato dimostrato che gli inibitori farmacologici del NAMPT riducono il NAD, con conseguente perdita di vitalità cellulare in una varietà di tipi di cancro6–8,10,18-21. Poiché le funzioni cellulari del NAD sono ampie, gli inibitori del NAMPT (NAMPTis) possono avere molteplici effetti antitumorali tra cui l’inibizione del metabolismo energetico, la suscettibilità allo stress ossidativo e la compromissione della riparazione del danno al DNA2,9,21-23. NAMPT è attualmente l’unico enzima di produzione di NAD + che è stato preso di mira nella clinica2,5,24.
I NAMPT di prima generazione sono stati testati in diversi studi clinici di fase iniziale in pazienti adulti non selezionati con tumori avanzati, ottenendo un tasso di controllo della malattia di circa il 25% ma poche risposte oggettive25-30. La soppressione del midollo osseo, in particolare la trombocitopenia, era dose-limitante in questi studi, così come gli effetti collaterali gastrointestinali25-30.
In studi su animali di grandi dimensioni, sono state osservate tossicità retiniche e cardiache, sebbene queste non siano state riportate nei pazienti umani31,32. Data la scarsità di risposte oggettive e preoccupazioni circa le tossicità associate a NAMPTi, lo sviluppo di questa classe di agenti è stato interrotto33.
OT-82 (OncoTartis) è un nuovo inibitore orale di piccole molecole del NAMPT attualmente in fase di valutazione clinica per tumori maligni ematologici. Sebbene inizialmente scoperto utilizzando un saggio per agenti citotossici tessuto-specifici ematopoietici, il suo meccanismo si è rivelato essere un NAMPTi.
I primi dati suggeriscono che OT-82 possiede un profilo di tossicità più favorevole rispetto a NAMPT di precedente generazione, in particolare per quanto riguarda le tossicità retiniche e cardiache che sono state osservate in studi su animali di molecole di generazione precedente ma non sono state osservate con OT-8234.
Inoltre, sono emerse prove recenti che dimostrano che alcuni tipi di tumore possono essere più sensibili all’inibizione del NAMPT a causa delle diverse vulnerabilità nei processi correlati al NAD9. Il sarcoma di Ewing (EWS), un tumore pediatrico delle ossa e dei tessuti molli, rappresenta una di queste neoplasie in quanto studi recenti hanno rivelato la presenza di difetti intrinseci nella riparazione del danno al DNA e nella riprogrammazione metabolica35-39.
Inoltre, i dati in vitro che utilizzano NAMPTis di prima generazione suggeriscono che le cellule EWS possono essere più sensibili di altri tipi di cellule tumorali40,41. Tuttavia, poiché i pazienti con EWS non sono mai stati trattati in nessuno dei primi studi clinici con NAMPTi, la potenziale efficacia clinica di questa classe di agenti rimane non testata in questa popolazione. Pertanto, lo scopo di questo studio era di valutare l’attività e gli effetti meccanicistici dell’inibitore NAMPT di ultima generazione OT-82 in modelli in vitro e in vivo di EWS.
Discussione
In questo studio dimostriamo che la perdita di attività NAMPT attraverso l’inibizione genetica o farmacologica si traduce in una ridotta proliferazione e sopravvivenza delle cellule EWS, dimostrando la dipendenza di EWS da NAMPT. Forniamo la prima valutazione in modelli di tumore solido dell’attività di OT-82, un nuovo NAMPTi recentemente descritto che è stato selezionato per lo sviluppo clinico a causa della citotossicità specifica contro le neoplasie ematologiche34.
Sorprendentemente, abbiamo osservato valori IC50 uguali o inferiori per OT-82 nel nostro pannello di linee cellulari EWS rispetto a quelli riportati per i modelli preclinici di neoplasie ematologiche, suggerendo che EWS possa rappresentare un tumore solido candidato selettivamente sensibile34,58.
La maggiore sensibilità di EWS all’inibizione del NAMPT può essere, in parte, correlata alla nota carenza di riparazione omologa che è una caratteristica dell’EWS35, poiché le carenze di riparazione del DNA sono state collegate alla sensibilità di NAMPTi in altri tipi di tumori solidi23 e possono aumentare la dipendenza dal NAD -PARP dipendenti59,60.
Altri fattori specifici dell’EWS possono anche contribuire alla sensibilità di NAMPTi, inclusa la presenza della proteina di fusione oncogenica EWS-FLI140, che ha dimostrato di guidare la riprogrammazione degli enzimi metabolici dipendenti dal NAD nell’EWS, come PHGDH e LDHA37-39,44, e la dipendenza da altre proteine dipendenti da NAD come SIRT161,62.
I nostri studi meccanicistici di OT-82 in EWS indicano che funziona esaurendo il NAD cellulare, che a sua volta si traduce in arresto G2 e apoptosi. Ciò è parzialmente coerente con il suo effetto nei modelli di leucemia, in cui OT-82 è stato osservato per indurre l’apoptosi, ma non l’arresto del ciclo cellulare34,58.
È interessante notare che l’uso della generazione precedente NAMPTi FK-866 è stato associato all’arresto G2 / M in modelli di altri tumori solidi63, suggerendo che gli effetti meccanicistici specifici dell’inibizione del NAMPT possono essere specifici del tipo di cellula. L’effetto di OT-82 sull’induzione di ROS nei nostri modelli rappresenta un ulteriore esempio degli effetti differenziali che NAMPTis può avere su diversi tipi di cellule.
L’induzione di ROS è un meccanismo noto di uccisione indotta da NAMPTi in una gamma di tipi di cellule tumorali45-50. Tuttavia, come abbiamo dimostrato in questo studio, l’induzione di ROS non era responsabile della morte cellulare indotta da OT-82 nell’EWS, suggerendo che la produzione di ROS è un sottoprodotto della morte cellulare indotta da OT-82.
Ciò è in contrasto con l’effetto del ROS indotto da OT-82 riportato nei modelli PDX di leucemia linfoblastica acuta pediatrica58 ma è concorde con i risultati precedenti utilizzando il NAMPTi GNE-618 in EWS41 e suggerisce che gli effetti differenziali sono dovuti alla cellula colpita tipo, in contrasto con il particolare NAMPTi utilizzato.
In vivo, il trattamento con OT-82 ha determinato una sostanziale inibizione della crescita del tumore dello xenotrapianto EWS e una sopravvivenza prolungata a dosi che dimostrano evidenza farmacodinamica dell’attività sul bersaglio nei tumori, utilizzando la concentrazione di NAD e l’attività PARP. In particolare, i test di attività PARP sono stati utilizzati con successo nella clinica64 e quindi rappresentano un test altamente quantitativo per l’inibizione del NAMPT sul bersaglio nell’EWS che potrebbe essere potenzialmente incorporato in futuri studi clinici.
I tumori trattati in modo intermittente hanno mantenuto la sensibilità a OT-82, tuttavia, non è stata osservata una durata prolungata della risposta utilizzando un programma intermittente. Ciò sembra essere coerente con i dati che descrivono l’uso di OT-82 come agente singolo nella maggior parte dei modelli di leucemia in vivo, sebbene i risultati del dosaggio intermittente prolungato non siano stati riportati in questi studi34,58.
Questi risultati suggeriscono che una sottopopolazione di cellule può essere resistente, sebbene i meccanismi sottostanti responsabili di ciò non siano ancora chiari. L’eterogeneità del tumore, la somministrazione incompleta o incoerente del farmaco in determinate aree del tumore o la resistenza all’apoptosi, che sono stati tutti descritti come meccanismi di resistenza per altri agenti antitumorali65-67, possono contribuire alla nostra comprensione di questi risultati e sono importanti aree di ricerca future .
L’aggiunta di agenti che aumentano il danno al DNA (irinotecan e niraparib), che sono agenti clinicamente rilevanti per l’EWS, ha migliorato sia il controllo della malattia che la sopravvivenza degli animali nei nostri modelli, suggerendo che clinicamente OT-82 sarebbe stato utilizzato in modo ottimale come parte di un regime di combinazione .
Mentre l’OT-82 in monoterapia e l’OT-82 più niraparib hanno portato entrambi alla regressione del tumore nei modelli in vivo testati, l’aggiunta di irinotecan a basso dosaggio a OT-82 ha rallentato la crescita del tumore ma sorprendentemente non ha portato a regressioni tumorali. Ciò può suggerire che è necessaria una dose più elevata di irinotecan per un tale effetto e / o che il programma di dosaggio del farmaco e / o il sequenziamento degli agenti possono essere importanti.
Inoltre, mentre i nostri esperimenti hanno utilizzato dosi clinicamente rilevanti di irinotecan e niraparib che erano guidate dai dati esistenti di farmacocinetica umana (PK), i dati di farmacocinetica umana su OT-82 non sono ancora disponibili. Questi dati in arrivo rappresentano un ulteriore fattore importante nella valutazione del potenziale di traduzione di OT-82.
Ulteriori indagini precliniche dovrebbero concentrarsi sulla creazione e l’ottimizzazione di regimi di combinazione efficaci utilizzando concentrazioni di farmaci clinicamente ottenibili che si traducono in risposte durevoli nei modelli preclinici. Anche la considerazione del profilo di tossicità umana di OT-82 e la sua sovrapposizione con i profili di tossicità dei potenziali partner di combinazione sarà della massima importanza.
In conclusione, i nostri risultati dimostrano che la dipendenza dal NAMPT rappresenta una vulnerabilità terapeutica nell’EWS e, quindi, che OT-82, con il suo profilo di tossicità migliorato, può essere un nuovo agente promettente per il trattamento dell’EWS. Questi risultati forniscono un fondamento logico per i test di fase iniziale di questo farmaco in questa popolazione di pazienti.
link di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7481307/
Ulteriori informazioni: Yi-Ru Yu et al, Le dinamiche mitocondriali disturbate nei CD8 + TIL rinforzano l’esaurimento delle cellule T, Nature Immunology (2020). DOI: 10.1038 / s41590-020-0793-3
