Vaccines for T Cell Induction in Malignant and Infectious Disease

Abstract

Impfstoffe spielen seit Jahrhunderten eine wichtige Rolle, um schützende Immunreaktionen gegen Infektionskrankheiten auszulösen. In den letzten zehn Jahren wurden therapeutische Impfstoffe als entwickelt, um das Immunsystem gegen Krebszellen zu richten. Während sich die prophylaktische Impfung weitgehend auf die Induktion erregerspezifischer Antikörper konzentriert, zielt die therapeutische Impfung hauptsächlich auf die Induktion krebsspezifischer T-Zell-Antworten ab. Mit der COVID-19 Pandemie haben T-Zellen jedoch auch gegen Infektionskrankheiten zunehmend an Bedeutung gewonnen. In dieser Arbeit wurde die Charakterisierung Antigen-spezifischer T-Zell-Antworten genutzt, um (i) ein Peptid-Warenhaus für die klinische Anwendung bei chronischer lymphatischer Leukämie (CLL) zu definieren, (ii) ein optimiertes Protokoll für das Priming von CD4+ T-Zellen unter Verwendung von Monozyten-abgeleiteten dendritischen Zellen (MoDCs) zu entwickeln und (iii) Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom-Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) spike-spezifische T-Zell-Antworten nach verschiedenen Impfschemata gegen die Coronavirus-Krankheit-2019 (englisch Coronavirus Disease 2019, COVID-19) aufzudecken. (i) Durch vergleichende massenspektrometrische Immunopeptidomanalysen von primären Patientenproben wurden natürlich und häufig vorkommende, auf humane Leukozytenantigene (HLA) präsentierte Peptide identifiziert, die für CLL spezifisch sind. Die daraus resultierenden CLL-spezifischen Antigene wurden sowohl von bereits vorhandenen als auch von de novo induzierten T-Zellen bei CLL-Patienten bzw. gesunden Freiwilligen erkannt. Dieses Verfahren zur Auswahl von Tumorantigenen ermöglichte die Erstellung eines vorgefertigten Warenhauses für die Generierung von personalisierten HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-restringierten Multi-Peptid-Impfstoffen, die in einer ersten klinischen Studie zur Behandlung von CLL untersucht werden (NCT04688385). Der hier vorgestellte Arbeitsablauf könnte die Grundlage für die Entwicklung einer breit angelegten personalisierten T-Zell-basierten Immuntherapie bilden, da er leicht auf andere Tumorentitäten übertragbar ist. (ii) Zum Nachweis der Immunogenität von HLA-Klasse-II-restringierten Peptiden lag der Fokus des zweiten Kapitels dieser Arbeit auf der Optimierung des de novo Primings von CD4+ T-Zellen unter Verwendung von MoDCs. In unserer Gruppe stand ein vorläufiges Protokoll zur Verfügung, das jedoch noch nicht funktionell anwendbar war. Durch die Optimierung des MoDC-Reifungscocktails, der Dauer der Koinkubation von MoDCs mit Peptiden und des Setups für die Stimulation von CD4+ T-Zellen mit MoDCs konnte für alle getesteten Peptide und Spender ein erfolgreiches de novo Priming spezifischer CD4+ T-Zellen erreicht werden. (iii) Nach dem Ausbruch der COVID-19-Pandemie wurden in kurzer Zeit mehrere Impfstoffe entwickelt, um die Bevölkerung vor schweren Krankheitsfolgen nach einer Infektion mit SARS-CoV-2 zu schützen. Das letzte Kapitel dieser Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung der induzierten T-Zell-Reaktionen nach der Impfung mit verschiedenen Impfschemata nach 4 Wochen und 6 Monaten sowie mit der Wirkung einer Auffrischungsimpfstoffdosis im Vergleich zu den SARS-CoV-2-T-Zell-Reaktionen bei Rekonvaleszenten und präpandemischen Spendern. Bei Spendern aller Impfschemata wurden häufige, vielfältige und multifunktionale spike-spezifische T-Zell-Antworten nachgewiesen, die mit den bei rekonvaleszenten Spendern beobachteten Antworten vergleichbar waren und im Vergleich zu den kreuzreaktiven T-Zell-Antworten bei präpandemischen Spendern signifikant erhöht waren. Die T-Zell-Reaktionen blieben im Laufe der Zeit stabil und profitierten nicht signifikant von einer Auffrischungsimpfung. Nachdem die T-Zell-Antworten über 6 Monate nach der Impfung abgenommen hatten, stiegen die Anti-Spike-Antikörper Titer jedoch durch eine Auffrischungsimpfung signifikant an. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine umfassende Analyse zur Charakterisierung der antigenspezifischen T-Zell-Antworten sowohl im Rahmen einer prophylaktischen als auch einer therapeutischen Impfung durchgeführt. Dies ermöglichte eine umfassende Aufklärung der zellulären Immunantworten im Zusammenhang mit verschiedenen COVID-19-Impfschemata sowie die Validierung eines Peptid-Warenhauses, das dessen prospektive Bewertung in einer therapeutischen Impfstoffstudie für CLL-Patienten erleichtert.

For centuries, vaccines have played an important role to induce protective immune responses against infectious diseases. Over the past decade, therapeutic vaccines have been developed to direct the immune system against cancer cells. Whereas, prophylactic vaccination focusses largely on the induction of pathogen-specific B-cell derived antibodies, therapeutic vaccination mainly aims to induce cancer-specific T cell responses. With the COVID-19 pandemic, T cells have however also gained increasing significance in infectious disease. In this thesis, characterization of antigen-specific T cell responses was applied to (i) define a peptide warehouse for clinical application in chronic lymphocytic leukemia (CLL), (ii) to develop an optimized protocol for CD4+ T cell priming using monocyte-derived dendritic cells (MoDCs) and (iii) to uncover Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike-specific T cell responses following different Coronavirus disease 2019 (COVID-19) vaccination regimens. (i), Naturally and frequently presented CLL-specific human leukocyte antigen (HLA)-restricted peptides were identified by comparative mass spectrometry-based immunopeptidome analyses of primary patient samples. The resulting CLL-specific antigens were shown to be recognized by preexisting, and de novo induced T cells in CLL patients and healthy volunteers, respectively. This tumor antigen selection process allowed for the generation of a premanufactured warehouse for the construction of personalized HLA class I- and HLA class II-restricted multi-peptide vaccines that are being evaluated in a first clinical trial for the treatment of CLL (NCT04688385). The presented workflow may provide the basis for the development of broad personalized T cell-based immunotherapy approaches as it is easily transferable to other tumor entities. (ii) To prove immunogenicity of HLA class II-restricted peptides, the second chapter of this thesis focused on the optimization of the de novo priming of CD4+ T cells using MoDCs. A preliminary protocol was available in our group; however, it was not yet set up functionally. Through modifications in the MoDC maturation cocktail, the time of MoDC coincubation with peptides and the setup for the CD4+ T cell stimulation with MoDCs, successful de novo priming of specific CD4+ T cells was achieved for all tested peptides and donors. (iii) With the COVID-19 pandemic, several vaccines were rapidly developed to protect the population against severe disease outcome after infection with SARS-CoV-2. The last chapter of this thesis focused on the characterization of induced T cell responses after vaccination with different vaccination regimens after 4 weeks and 6 months, as well as the effect of a booster vaccine dose compared with SARS-CoV-2 T cell responses in convalescents and prepandemic donors. Frequent, divers and multifunctional spike-specific T cell responses were shown for donors of all vaccination regimens that were comparable to responses seen in convalescent donors and were significantly increased compared to cross-reactive T cell responses in prepandemic donors. T cell responses remained stable over time and did not significantly benefit from a booster vaccination dose. However, after decreasing over 6 months after vaccination, anti-spike antibody titers significantly increased through the application of a booster vaccine dose. Together, within this thesis, an extensive analysis was conducted to characterize antigen-specific T cell responses within the frame of both prophylactic and therapeutic vaccination, providing a comprehensive elucidation of cellular immune responses pertaining to diverse COVID-19 vaccine schedules as well as the validation of a peptide warehouse facilitating its prospective evaluation in a therapeutic vaccine trial for CLL patients.