Scientific basics for new immunotherapeutic approaches towards Merkel cell carcinoma

• Main Author: Ritter, Cathrin
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2017
• Subjects: Merkel-Zellkarzinom; ddc:616
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/12416; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124162; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124162; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/12416/Ritter_Cathrin_Merkel_cell_carcinoma.pdf

Merkel cell carcinoma (MCC) is an aggressive neuroendocrine skin cancer that has been associated with the Merkel cell polyomavirus (MCPyV). Indeed, MCC is one of the cancers with the best-established viral carcinogenesis. Despite persistence of the virus in MCC cells and the subsequent expression of viral antigens, the majority of MCC tumors are able to escape the surveillance of the immune system. Therefore the aim of the here presented thesis was to scrutinize immune escape mechanisms operative in MCC. A better understanding of their underlying molecular processes should allow to improve immunotherapeutic treatment strategies for MCC patients. The manuscripts included in this thesis characterize three novel immune evasion strategies of MCC. I) the epigenetic silencing of the NKG2D ligands MICA and MICB via histone H3 hypoacetylation II) reduced HLA class I surface expression via epigenetic silencing of the antigen processing machinery (APM) III) the activation of the PI3K-AKT pathway in a mutation independent manner as potential immune escape strategy MCC tumors and MCC cell lines were analyzed for their expression of MICA/B, HLA and components of the antigen processing machinery as well as for the activation of the PI3K-AKT pathway in situ and in vitro. These analysis reviled MICA and MICB, as well as HLA class I were not expressed or at least markedly reduced in ~80% of MCCs in situ. The PI3K-AKT pathway, that had only recently been demonstrated to play a significant role in tumor immune escape, was activated in almost 90% of MCCs in situ. To determine the underlying molecular mechanisms of these aberrations well characterized MCC cell lines were further analyzed in vitro. The fact that the PI3K-AKT pathway activation was due to oncogenic mutations in the PIK3CA or AKT1 gene in only 10% of MCCs, suggested an epigenetic regulation of this pathway in MCC. In line with this MICA/B as well as components of the APM were indeed silenced epigenetically via histone hypoacetylation in their respective promoter region. Notably MICA/B and HLA class I expression on the cell surface of MCC cells could be restored after treatment with HDAC inhibitors in combination with the Sp1 inhibitor Mithramycin A in all analyzed MCC cell lines in vitro and in a xenotransplantation mouse model in vivo. Moreover inhibition of HDACs increased immune recognition of MCC cell lines in a MICA/B and HLA class I dependent manner. Several studies have accumulated evidence that immunotherapy is a promising treatment option for MCC patients due to the exquisite immunogenicity of this malignancy. However, current immunotherapeutic interventions towards solid tumors like MCC have to account for the plentitude of tumor immune escape strategies, in order to increase response rates. The immune escape mechanisms of MCC described in this thesis can be reverted by HDAC inhibition, thus providing the rationale to combine ‘epigenetic priming’ with currently tested immunotherapeutic regimens. === Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein aggressiver neuroendokriner Hautkrebs, der mit dem Merkelzell-Polyomavirus (MCPyV) assoziiert ist. Das MCC ist eine der Krebserkrankungen mit der am besten etablierten viralen Karzinogenese. Trotz der Anwesenheit des MCPyV in MCC-Zellen und der daraus einhergehenden Expression viraler Antigene sind die meisten MCC-Tumoren in der Lage der Überwachung durch das Immunsystem zu entgehen. Aus diesem Grund war das Ziel der hier vorliegenden Arbeit, neue im MCC operative „immune escape“ Mechanismen zu ermitteln. Ein besseres Verständnis der hierbei zugrunde liegenden Mechanismen, sollte es ermöglichen, immuntherapeutische Behandlungsstrategien für MCC-Patienten zu verbessern. Die vorgestellten Manuskripte beschreiben drei neuartige „immune evasion“ Strategien des MCC: I) die epigenetische Inaktivierung der NKG2D-Liganden MICA und MICB mittels Histone-H3-Hypoacetylierung II) eine reduzierte HLA Klasse I-Oberflächenexpression aufgrund epigenetischer Inaktivierung der Antigenprozessierungsmaschinerie (APM) III) die mutationsunabhängige Aktivierung des PI3K-AKT-Signalweges, als potentieller „immune escape“ Mechanismus MCC-Tumoren und MCC-Zelllinien wurden sowohl bezüglich der Expression von MICA/B, HLA Klasse I und Komponenten der APM als auch auf die Aktivierung des PI3K Signalweges in situ und in vitro untersucht. Diese Analysen zeigten, dass sowohl MICA und MICB als auch HLA Klasse I in ca. 80% der MCC-Tumoren in situ nicht, oder nur sehr reduziert, exprimiert wurden. Der PI3K-AKT-Signalweg, welcher erst kürzlich mit Tumor „immune escape“ in Verbindung gebracht wurde, war in fast 90% aller MCC-Tumoren in situ aktiviert. Um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Aberrationen zu entschlüsseln, wurden gut charakterisierte MCC-Zelllinien in vitro untersucht. Die Tatsache, dass der PI3K-AKT-Signalweg in nur 10% der MCCs auf Mutationen im PI3KA- oder AKT1-Gen zurückzuführen war, suggeriert eine epigenetische Regulation dieses Signalwegs. In Übereinstimmung hiermit waren sowohl MICA/B als auch Gene der APM epigenetisch mittels Histon-Hypoacetylierung in ihren jeweiligen Promoterregionen inaktiviert. Bemerkenswerterweise konnten in vitro und in einem Xenotransplantations-Mausmodell in vivo sowohl die MICA/B als auch die HLA Klasse I-Oberflächenexpression aller untersuchter MCC-Zelllinien durch die Behandlung mit HDAC-Inhibitoren in Kombination mit dem Sp1-Inhibitor Mithramycin A wieder hergestellt werden. Des Weiteren erhöhte die Inhibition von HDACs die MCC-Immunerkennung auf eine MICA/B und HLA Klasse I-abhängige Weise. Zahlreiche aktuelle Studien bestärken die Annahme, dass aufgrund der besonderen Immunogenität des MCC, die Immuntherapie eine aussichtsreiche Behandlungsoption für MCC-Patienten darstellt. Nichtsdestotrotz müssen die derzeitigen immuntherapeutischen Methoden zur Behandlung solider Tumore die Vielzahl von Tumor „immune escape“ Mechanismen mitberücksichtigen, um die Ansprechrate zu erhöhen. Die Tatsache, dass die hier beschriebenen „immune escape“ Mechanismen durch HDAC-Inhibition aufgehoben werden können, spricht für die Hypothese, dass eine Kombination von „epigenetischem Priming“ mit derzeitig untersuchten immuntherapeutischen Ansätzen sinnvoll ist.