CD4+ T cells cooperate with myeloid cells to remotely control immune-evasive tumours

Abstract

Current clinically applied cancer immunotherapies mainly focus on augmenting cytotoxic effector functions of CD8+ T cells. However, tumours can evade direct immune control by loss of MHC expression or by becoming unresponsive to interferons (IFN). In recent years, the ability of CD4+ T cells to eliminate even such "immune-evasive" tumours has been increasingly studied. The extent, to which CD4+ T cell effector cells contribute to anti-tumour immunity, and the development of strategies to unleash their full potential remain to be substantiated. The aim of this work was to further investigate the mechanisms how CD4+ effector T cells control tumours independent of CD8+ T cells in an experimental melanoma inoculation mouse model using adoptively transferred melanoma-specific CD4+ or CD8+ T cell receptor transgenic T cells. Initial experiments showed that a small number of CD4+ T cells can control tumours as efficiently as a much larger number of CD8+ T cells. Strikingly, CD4+ T cells were able to also eliminate MHC-deficient and IFN-insensitive tumour cell variants that escape CD8+ T cell control. Sophisticated fluorescence microscopic methods were established to further investigate the mechanisms how CD4+ T cells indirectly control tumours independent of cytotoxic CD8+ T cells. Histological and intravital microscopic studies revealed fundamental differences in the spatial distribution and the temporal dynamics of tumour-specific CD4+ T cells and CD8+ T cells in tumour tissues. While CD8+ T cells infiltrated deep into tumour tissue in large numbers in a MHC-I molecule-dependent manner, CD4+ T cells mostly interacted with MHC-II+ antigen-presenting cells at the invasive tumour margin. Subsequent molecular pathological and flow cytometric studies showed that the CD4+ T- cell-based therapy induced a recruitment of inflammatory monocytes into tumour tissue. Under the influence of IFNs, monocytes differentiated into both antigen-presenting and tumouricidal iNOS+ myeloid immune cells. In summary, very few CD4+ T cells reprogrammed the network of tumour-infiltrating myeloid cells. Together, they were able to indirectly and remotely eradicate even "immune-evasive" tumours. These data demonstrate the potential for clinical use of CD4+ T cells in cancer immunotherapy.

Die derzeit klinisch angewandten Krebsimmuntherapien fokussieren sich auf die Verstärkung der direkten Zytotoxizität von CD8+ T-Zellen. Allerdings können Tumore Therapieresistenzen entwickeln, indem sie ihre MHC-Expression verlieren oder nicht mehr auf Interferone (IFN) ansprechen. In den letzten Jahren ist die Fähigkeit von CD4+ T-Zellen, auch solche „immun-evasiven“ Tumoren zu eliminieren, verstärkt untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, die Mechanismen der CD8+ T-Zell-unabhängigen Tumorkontrolle durch CD4+ Effektor T-Zellen in einem experimentellen Melanom- Inokulations-Mausmodell mit adoptiv transferierten, Melanom-spezifischen CD4+ oder CD8+ T-Zell-Rezeptor transgenen T-Zellen näher zu untersuchen. Dabei zeigte sich zunächst, dass eine kleine Anzahl von CD4+ T-Zellen Tumore ebenso effizient kontrollieren kann wie eine viel größere Anzahl an CD8+ T-Zellen. Besonders eindrücklich war die Tatsache, dass CD4+ T-Zellen auch MHC-defiziente und IFN-unempfindliche Tumorzell-Varianten eliminieren, die der Kontrolle durch CD8+ T-Zellen entkommen. Um den Mechanismus der indirekten, von zytotoxischen CD8+ T-Zellen unabhängigen Tumorkontrolle durch CD4+ T-Zellen direkt in vivo zu untersuchen, wurden anspruchsvolle fluoreszenzmikroskopischen Methoden etabliert. Histologische und intravitalmikroskopische Untersuchungen ergaben grundlegende Unterschiede in der räumlichen Verteilung und der Bewegungsdynamik von tumorspezifischen CD4+ T-Zellen und CD8+ T-Zellen im Tumorgewebe. Während CD8+ T-Zellen in großer Anzahl das Tumorgewebe erreichen und in einer von MHC-I Molekülen abhängigen Weise infiltrierten, interagierten CD4+ T-Zellen am invasiven Tumorrandbereich mit MHC-II+ antigen-präsentierenden Zellen. Weiterführende molekularpathologische und durchflusszytometrische Untersuchungen ergaben, dass die CD4+ T-Zell-basierte Therapie eine Rekrutierung von inflammatorischen Monozyten in das Tumorgewebe induziert, die unter dem Einfluss von IFN-Signalen sowohl zu antigen-präsentierenden als auch zu tumoriziden iNOS+ myeloiden Immunzellen ausdifferenzieren. Zusammengefasst waren sehr wenige CD4+ T-Zellen in der Lage, durch eine Reprogrammierung des Netzwerkes tumor-infiltrierender myeloider Zellen auch „immun- evasive“ Tumoren indirekt und aus der Ferne zu beseitigen. Diese Daten zeigen das Potential für die klinische Nutzung von CD4+ T-Zellen in der Krebsimmuntherapie auf.