学术经纬

Genome Med | 恶性脑肿瘤mRNA新抗原和相关抗原疫苗的开发和应用

撰稿 | 何梓妍    责编 | 周叶斌
胶质母细胞瘤(GBM)和髓母细胞瘤(MB)由于具有高度侵袭性和肿瘤异质性,免疫疗法治疗效果不佳,被视为难治性肿瘤。其中髓母细胞瘤(MB)是儿童常见的恶性肿瘤,占儿童颅内肿瘤的15%-20%,大约有85%的髓母细胞瘤都发生于18岁以下。
靶向全谱肿瘤抗原,包括新抗原(肿瘤细胞突变产生的独特蛋白片段)和肿瘤相关抗原(肿瘤细胞中过度表达或异常表达的蛋白质,TAA)有助于精准靶向和减少免疫逃逸。如今,mRNA疫苗得到了快速开发和广泛使用,以其可编码性、易于合成的优势,能够同时递送多种肿瘤抗原,应用潜力巨大。
2024年1月,来自美国佛罗里达大学医学院的 Duane A. Mitchell 团队在Genome Medicine上发表了题为mRNA-based precision targeting of neoantigens and tumor-associated antigens in malignant brain tumors 文章,开发了针对特定肿瘤抗原的个性化mRNA疫苗,并在临床前模型中验证了这种策略在提高免疫反应和潜在治疗效果方面的潜力。

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为了预测和鉴定肿瘤特异性抗原,作者首先建立了一个免疫基因组学平台O.R.A.N,并建立了选择性基因富集平台,用于生产肿瘤抗原特异性 mRNA 治疗药物TOFU mRNA,在单一疫苗中编码大量肿瘤抗原(图1a)。通过RNA-seq和全外显子组测序(WES)测定小鼠GBM肿瘤KR158-Luc(Kluc)和GL261模型,以及小鼠MB肿瘤NSC和Ptch模型的基因表达谱,并应用于O.R.A.N平台进行抗原预测并筛选肿瘤特异性抗原。他们鉴定了Kluc肿瘤模型中的12个新抗原和15个TAA,GL261 肿瘤模型中是192个新抗原和37个TAA,NSC肿瘤模型中的6种新抗原和14种 TAA以及Ptch肿瘤模型中的19种新抗原和13种TAA(图1b),且这些TOFU抗原的富集率均高于80%(图1c-f)。接着对这些潜在靶点进行疫苗开发和抗原特异性T细胞选择的实验。

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图1 TOFU mRNA的筛选流程及富集率
为了验证预测的肿瘤抗原的免疫原性,作者用TOFU mRNA转染的树突状细胞(TOFU-DC)作为抗原呈递细胞在体内引发T细胞反应,通过 IFN-γ 分泌情况评估反应T细胞在体外由不同TOFU编码的抗原表位刺激后对Kluc、GL261、NSC和Ptch TOFU抗原的反应性。与不相关肽相比,Kluc、GL261、NSC和Ptch 的部分TOFU mRNA抗原肽均引起了相应T细胞IFN-γ的产生增加(图2),证实了TOFU mRNA的生物活性,可以产生抗原特异性T细胞反应。

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图2 TOFU抗原的抗原特异性反应验证
接下来,作者研究了TOFU mRNA疫苗与抗PD-1肿瘤免疫检查点抑制剂疗法(ICI)联合使用的抗肿瘤功效。以GBM荷瘤小鼠为实验对象,实验组每周接种3剂TOFU-DC疫苗和抗PD-1抗体(TOFU-DCs+PD-1),对照组分别接种Ctl-DC和同种型IgG抗体作为对照(Ctl-DC+IgG、Ctl-DC+PD-1和TOFU-DCs +IgG)。通过生物发光强度测量,TOFU-DCs+PD-1治疗在减缓Kluc肿瘤进展方面明显更有效,中位生存期为54.5天,而Ctl-DCs+IgG组为31天,Ctl-DCs+PD-1组为36天,TOFU-DCs+IgG处理组为40天。TOFU-DCs+PD-1治疗在GL261模型中也较对照组有更好的效果,中位生存期为62天(图3)。进一步通过流式细胞术对外周T细胞的分析显示,在TOFU-DCs+PD-1处理的Kluc模型小鼠中,CD4+和 CD8+T细胞的PD-1表达增加;同时,免疫学反应通路分析结果显示,淋巴细胞活化、淋巴细胞转运和TNF家族信号转导增加,说明治疗对肿瘤微环境进行了重编程。这些结果表明TOFU mRNA疫苗与抗PD-1疫苗具有协同作用。

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图3 TOFU mRNA 疫苗联合 ICI 的治疗效果
a 联合疗法治疗给药时间示意图; b 体内发光成像检测Kluc肿瘤生长情况; c 接受Kluc TOFU DC + PD-1和对照治疗(Ctl DCs + IgG、Ctl DCs + PD-1和 TOFU DCs + IgG)治疗的Kluc荷瘤小鼠的生存曲线; d GL261 TOFU DCs+PD1联合治疗和对照治疗的GL261荷瘤小鼠的生存曲线
过继性免疫细胞疗法(ACT)是一种采用mRNA转染的DC在体外扩增肿瘤抗原特异性T细胞,然后在9戈瑞(Gy)的全身照射(TBI)后将其与造血干细胞一起过继转移到荷瘤宿主中的治疗方法。作者将TOFU mRNA用于ACT(TOFU-ACT),并每周注射TOFU mRNA-DC维持抗肿瘤免疫力。与未治疗的小鼠相比,TOFU-ACT治疗显著延缓了肿瘤进展并显着提高了Kluc和GL261荷瘤小鼠的存活率(图4a-d)。分离CD45+免疫细胞和CD45-肿瘤和正常脑细胞并进行了单细胞RNA-seq,与未治疗(69%)和9Gy TBI治疗的小鼠(49.3%)相比,TOFU-ACT治疗小鼠(21.5%)的肿瘤细胞群显著减少(图4e)。肿瘤细胞的泛癌通路分析显示,与未治疗的小鼠相比,TOFU-ACT治疗小鼠的剩余肿瘤细胞免疫反应下调,这提供了肿瘤免疫抵抗和逃逸机制的可能性。

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图4 TOFU mRNA疫苗联合ACT的治疗效果:a 用9Gy TBI和HSC进行宿主预处理后,TOFU mRNA疫苗加ACT联合治疗给药时间示意图; b肿瘤植入后第32天使用体内发光成像进行Kluc肿瘤检测; c 用Kluc TOFU-ACT和对照处理治疗的Kluc荷瘤小鼠的存活曲线; d 用GL261 TOFU-ACT和对照处理处理的GL261荷瘤小鼠的存活曲线
最后,作者还对TOFU-ACT联合治疗实验中小鼠模型肿瘤中的CD45+单细胞数据进行了全面分析,发现与对照组相比,TOFU-ACT治疗的小鼠M1巨噬细胞增加,M2巨噬细胞减少,表明肿瘤微环境的促炎效果。对T细胞亚群的分析表明,TOFU-ACT治疗的动物的肿瘤微环境中T细胞向效应或效应记忆T细胞转变。对T细胞毒性和耗竭标志物的基因表达分析显示,与未处理的小鼠相比,TOFU-ACT治疗小鼠中T细胞耗竭标志物Pdcd1、CTLA4、Tigit和Lag3的表达显著降低,细胞毒性标志物Prf1、Nkg7、Gzma、Gzmb和Gzmk的表达显著上调,说明TOFU-ACT治疗增强了T细胞的作用(图5)。作者还通过TCR-seq比较了TOFU-ACT治疗的小鼠与对照组的多样性、克隆扩增和T细胞受体库验证了治疗组小鼠T细胞多样性降低、克隆扩增和超扩增克隆的响应。

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图5 TOFU-ACT治疗后肿瘤微环境重编程
综上所述,该研究发现预测和生产针对胶质母细胞瘤和髓母细胞瘤的TOFU mRNA疗法的可行性,并验证了预测抗原的免疫原性和TOFU mRNA 疫苗与标准免疫治疗方法(ICI和ACT)在多种临床前脑肿瘤模型中的疗效。TOFU mRNA定向免疫疗法通过刺激T细胞活化和效应,并改变免疫抑制性肿瘤微环境来提高肿瘤模型小鼠的生存率。该研究为胶质母细胞瘤和髓母细胞瘤提供了新的治疗策略。

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排版 | Sheila   校对 | uu

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*本文由深圳市拾玉儿童公益基金会“儿童肿瘤前沿”团队编译或约稿,文中图表均源引自文献原文。本文著作权归文章作者所有,欢迎个人转发分享,未经允许禁止转载,作者拥有所有法定权利,违者必究。如需转载,请留言或联系[email protected]。本文旨在分享儿童肿瘤科研前沿成果,不是治疗方案推荐。如需获得疾病治疗方案指导,请前往正规医院就诊。

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原文摘要(Abstract)

Background: Despite advancements in the successful use of immunotherapy in treating a variety of solid tumors, applications in treating brain tumors have lagged considerably. This is due, at least in part, to the lack of well-characterized antigens expressed within brain tumors that can mediate tumor rejection; the low mutational burden of these tumors that limits the abundance of targetable neoantigens; and the immunologically "cold" tumor microenvironment that hampers the generation of sustained and productive immunologic responses. The field of mRNA-based therapeutics has experienced a boon following the universal approval of COVID-19 mRNA vaccines. mRNA-based immunotherapeutics have also garnered widespread interest for their potential to revolutionize cancer treatment. In this study, we developed a novel and scalable approach for the production of personalized mRNA-based therapeutics that target multiple tumor rejection antigens in a single therapy for the treatment of refractory brain tumors.

Methods: Tumor-specific neoantigens and aberrantly overexpressed tumor-associated antigens were identified for glioblastoma and medulloblastoma tumors using our cancer immunogenomics pipeline called Open Reading Frame Antigen Network (O.R.A.N). Personalized tumor antigen-specific mRNA vaccine was developed for each individual tumor model using selective gene capture and enrichment strategy. The immunogenicity and efficacy of the personalized mRNA vaccines was evaluated in combination with anti-PD-1 immune checkpoint blockade therapy or adoptive cellular therapy with ex vivo expanded tumor antigen-specific lymphocytes in highly aggressive murine GBM models.

Results: Our results demonstrate the effectiveness of the antigen-specific mRNA vaccines in eliciting robust anti-tumor immune responses in GBM hosts. Our findings substantiate an increase in tumor-infiltrating lymphocytes characterized by enhanced effector function, both intratumorally and systemically, after antigen-specific mRNA-directed immunotherapy, resulting in a favorable shift in the tumor microenvironment from immunologically cold to hot. Capacity to generate personalized mRNA vaccines targeting human GBM antigens was also demonstrated.

Conclusions: We have established a personalized and customizable mRNA-therapeutic approach that effectively targets a plurality of tumor antigens and demonstrated potent anti-tumor response in preclinical brain tumor models. This platform mRNA technology uniquely addresses the challenge of tumor heterogeneity and low antigen burden, two key deficiencies in targeting the classically immunotherapy-resistant CNS malignancies, and possibly other cold tumor types.

DOI: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38268001/

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