T-geheugenstamcel

Een T-geheugenstamcel (Engels: T memory stem cell, T_SCM) is een type langlevende T-geheugencel met het vermogen om de volledige diversiteit van T-geheugencel- en effector-T-celsubpopulaties te herstellen en tevens hun eigen populatie in stand te houden door zelfvernieuwing. Deze cellen werden voor het eerst beschreven bij muizen in 2009^[1] en vervolgens bij mensen .^[2] Ze vertegenwoordigen een celtype dat het landschap van de immunologie en de geneeskunde heeft hervormd vanwege hun superieure vermogen tot zelfvernieuwing en persistentie in de context van kanker en infectieziekten. TSCM-cellen vormen qua ontwikkeling een intermediaire subgroep tussen naïeve (Tn) en centrale T-geheugencellen (Tcm), en brengen zowel markers van naïeve T-cellen tot expressie, zoals CD45RA+, CD45RO-, hoge niveaus van CD27, CD28, IL-7Rα (CD127), CD62L en C-C chemokine receptor 7 (CCR7), als markers van T-geheugencellen, zoals CD95, CD122 (IL-2Rβ), CXCR3 en LFA-1.^[3][4][5] Deze cellen vertegenwoordigen een klein deel van de circulerende T-cellen, ongeveer 2-3%.[3] Net als naïeve T-cellen komen TSCM-cellen vaker voor in lymfeklieren dan in de milt of het beenmerg; maar in tegenstelling tot naïeve T-cellen zijn TSCM-cellen klonaal vermeerderd. Net als T-geheugencellen kunnen TSCM snel prolifereren en pro-inflammatoire cytokinen (IFN-γ, IL-2 en Tumornecrosefactor αTNF-α) afscheiden als reactie op herhaalde blootstelling aan antigenen, maar ze vertonen een hoger proliferatiepotentieel vergeleken met Tcm-cellen; hun homeostatische omloop is ook afhankelijk van IL-7 en IL-15.^[4]

Longitudinale studies naar de dynamiek van TSCM bij patiënten die een hematopoëtische stamceltransplantatie (HSCT) ondergaan, hebben aangetoond dat donor-afgeleide TSCM-cellen vroeg na HSCT sterk verrijkt waren, rechtstreeks gedifferentieerd waren uit Tn-cellen, en dat Tn- en TSCM-cellen (maar niet centrale geheugen- of effector-T-cellen) in staat waren de volledige heterogeniteit van T-geheugencelsubtypen, inclusief TSCM-cellen, te herstellen.^[6] Samen met de transcriptoomanalyse van differentieel tot expressie gebrachte genen die de verwantschap tussen TSCM- en Tn-cellen weerspiegelen, stonden deze gegevens in scherp contrast met het bestaande hiërarchische model van menselijke T-celdifferentiatie: naïeve T-cellen (Tn) → effector-T-cellen (Teff) → effector-T-geheugencellen → centrale T-geheugencellen (Tcm).

Na blootstelling aan en eliminatie van het primaire antigeen overleven antigeenspecifieke TSCM-cellen bij voorkeur tussen T-geheugencellen en blijven ze stabiel aanwezig gedurende een lange periode in het menselijk leven.^[7] Multiparametrische flowcytometrie en T-celreceptor-sequentiebepalingsstudies toonden aan dat meer dan 30% van de naïeve T-cellen die door antigenen zijn geprimed, rechtstreeks differentiëren tot TSCM-cellen.^[3] De huidige observaties suggereren dat TSCM een populatie is die een essentiële rol speelt bij het in stand houden van een langetermijngeheugen in vivo.^[3] Langetermijnstudies naar T-cellen in een cohort patiënten die tegen gele koorts waren gevaccineerd, lieten zien dat door vaccinatie geïnduceerde CD8⁺ TSCM-cellen specifiek voor gelekoortsantigenen 25 jaar lang stabiel werden gehandhaafd, in staat waren tot zelfvernieuwing ex vivo en oppervlaktemarkers en mRNA-profielen behielden die het meest leken op die van naïeve T-cellen.^[8] In een andere longitudinale studie bij leukemiepatiënten die een hematopoëtische stamceltransplantatie (HSCT) hadden ondergaan, werd gerapporteerd dat genetisch gemodificeerde TSCM tot 14 jaar na de infusie konden worden gedetecteerd.^[9] Complexe analyses van de dynamiek van TSCM onder fysiologische omstandigheden, waaronder stabiele isotopenlabeling, wiskundige modellering, dwarsdoorsnedegegevens van gevaccineerde individuen en telomeerlengteanalyse, brachten aan het licht dat er minstens twee verschillende TSCM-subpopulaties bestaan met verschillende levensduur en omzetsnelheden: 1) kortlevende, met een gemiddelde halfwaardetijd van 5 maanden, en 2) langlevende, met een hoge mate van zelfvernieuwing en een halfwaardetijd van ongeveer 9 jaar, wat consistent is met het langdurig behoud van de recall-respons op antigenen (8-15 jaar).^[4]

Analyse van het T-celreceptor β-repertoire van TSCM en Tm toonde aan dat TSCM een hogere T-celreceptor β-diversiteit hebben vergeleken met Tm, dat de T-celreceptor-sequenties van TSCM antigen-ervaren waren en dat hun samenstelling verschilde van die van naïeve T-cellen. Uit onderzoek is ook gebleken dat bij patiënten met diabetes type I er sprake is van een verrijking van zelfreactieve kloontypes in TSCM in plaats van in Tm, wat suggereert dat TSCM mogelijk dient als een reservoir van autoreactieve T-cellen.^[10]

Pathogeenspecifieke TSCM-cellen zijn geïdentificeerd in een aantal studies naar acute en chronische infecties bij de mens, veroorzaakt door virussen, bacteriën en parasieten. De aanwezigheid van TSCM-cellen zou essentieel kunnen zijn voor de beheersing van aanhoudende infecties, waarbij effector-T-cellen uitgeput raken en hersteld moeten worden; dit werd ondersteund door het bewijs van een negatieve correlatie tussen de ernst van chronische virale (HIV-1) en parasitaire (trypanosoom) infecties en de frequentie van circulerende TSCM-cellen.^[3]

TSCM worden beschouwd als een veelbelovende benadering in immuuntherapie bij kanker vanwege hun hoge proliferatiecapaciteit, lange levensduur en verhoogde overleving, evenals krachtigere antitumorale effecten in vivo vergeleken met TCM en Tem. Studies naar adoptieve celtherapie in een muizenmelanoommodel lieten een significante lineaire correlatie zien tussen de differentiatiestatus van de toegediende T-cellen en de mate van tumorregressie in de volgorde TSCM > TCM > TEM; TSCM-toediening leidde tot een meer aanhoudende vermindering van de tumorgroei en correleerde met een significante toename van de algehele overleving van de behandelde muizen. Eerdere studies bij mensen en muizen toonden ook aan dat minder gedifferentieerde T-cellen een grotere proliferatiecapaciteit en een groter vermogen tot persistentie vertonen na celoverdracht vergeleken met hun meer gedifferentieerde tegenhangers; bij mensen is het vermogen van toegediende T-cellen om te persisteren positief gecorreleerd met de respons op adoptieve celtherapie.^[5][11]

De klinische toepassing van TSCM-cellen wordt echter belemmerd door hun geringe aanwezigheid in het perifeer bloed en door het huidige gebrek aan uniforme protocollen voor het genereren en in vitro onderhouden van TSCM-cellen voor klinische productie. Een van de huidige effectieve strategieën is de combinatie van IL-7 en IL-15, die met succes is gebruikt om tumorgerichte TSCM-cellen te genereren uit naïeve celvoorlopers. De resulterende cellen hebben een genexpressieprofiel dat overeenkomt met dat van natuurlijk voorkomende TSCM-cellen en een verhoogd proliferatief vermogen in vergelijking met andere T-celsubtypen. Deze strategie kan met name geschikt zijn voor het genereren van virusspecifieke TSCM-cellen voor adoptieve celtherapie ter preventie of behandeling van virale infecties na transplantatie of bij andere immuungecompromitteerde patiënten. Een andere strategie die de efficiënte generatie van tumorreactieve TSCM-cellen bevordert, berust op de activering van naïeve T-cellen in aanwezigheid van IL-7, IL-21 en TWS119, een agonist van Wnt-β-signalering. Er is gebleken dat CAR-gemodificeerde TSCM-cellen die op deze manier zijn gegenereerd, fenotypisch, functioneel en transcriptomisch equivalent zijn aan natuurlijk voorkomende TSCM-cellen; bovendien hadden ze metabolische kenmerken die specifiek zijn voor langlevende T-geheugencellen, zoals een hoge reserve-ademhalingscapaciteit en een laag glycolytisch metabolisme (overheersing van oxidatieve fosforylering). Dergelijke CAR-gemodificeerde T-cellen kunnen efficiënt worden ingezet tegen de gewenste tumorantigenen en blijken duurzame antitumorresponsen te genereren.^[3]

Een van de grootste uitdagingen bij de toepassing van T-celtherapieën in de behandeling van tumoren is het probleem van de uitputting van cytotoxische T-cellen als gevolg van hun herhaalde blootstelling aan tumorantigenen en de immunosuppressieve tumormicroomgeving die remmende signalen uitzendt via de cytokinen en celoppervlakreceptoren. Uitgeputte T-cellen worden gekenmerkt door de expressie van grote hoeveelheden remmende moleculen zoals PD-1, CTLA-4, LAG3, Tim-3, CD244/2B4, CD160 en TIGIT; Ze reageren niet op T-celreceptor-stimulatie en hebben een verminderd vermogen om antitumorale cytokinen zoals IFN-γ en TNF-α af te scheiden.^[12] Op transcriptieniveau hebben recente studies aangetoond dat transcriptiefactoren die een sleutelrol spelen bij T-celuitputting onder andere TCF-1, T-bet, Eomes, PRDM1, NFAT, NR4A, IRF4 en BATF omvatten. Volgens het huidige differentiatiemodel van T-celuitputting verliezen T-cellen stapsgewijs hun "stamceleigenschappen" terwijl ze "uitgeput" raken. Daarom hebben benaderingen die T-celuitputting voorkomen en uitgeputte T-cellen "heractiveren" de potentie om de effectiviteit van kankerimmunotherapieën aanzienlijk te verbeteren.^[5]

Studies van de afgelopen jaren hebben aangetoond dat TCF-1⁺ T-cellen, die vroege geheugen-T-cellen vertegenwoordigen, waaronder TSCM-cellen, een belangrijke rol spelen in de persistentie en effectiviteit van T-cellen bij kankerimmunotherapie. Flowcytometrische analyse van tumorinfiltrerende antigeenpresenterende celpopulaties (APC's) in menselijke nier-, prostaat- en blaastumoren bracht een significante correlatie aan het licht tussen de aanwezigheid van dendritische cellen (maar niet van macrofagen) en het aantal TCF1⁺ stamcelachtige cytotoxische T-cellen in de tumor.^[13] Daaropvolgende immunofluorescentiekleuring toonde aan dat TCF1⁺ stamcelachtige T-cellen alleen werden gevonden in gebieden met een hoge dichtheid aan MHC II⁺ cellen; daarentegen was de TCF1^- populatie van terminaal uitgeputte cytotoxische T-cellen verspreid over het weefsel zonder voorkeur voor APC-rijke zones. Uitgebreide analyse van grote coupes van tumorweefsel bevestigde dat tumoren veel gebieden met dichte APC-zones hadden, en dat TCF-1⁺ stamcelachtige CD8-cellen zich daar bij voorkeur bevonden. Deze gegevens suggereren dat gebieden die sterk verrijkt zijn met APC's dienen als een intratumorale niche voor stamcelachtige cytotoxische T-cellen, die aanleiding geven tot terminaal gedifferentieerde T-cellen en zo de antitumorale immuunrespons in stand houden. Bovendien bleek uit immunofluorescentieanalyse van grote delen van het tumorweefsel van 26 patiënten met nierkanker dat patiënten met een gecontroleerde ziekte significant meer MHC-II-dichte gebieden hadden waar TCF1⁺ cytotoxische T-cellen zich bevonden; verdere stratificatie van patiënten toonde aan dat patiënten met een lage MHC-II⁺ celdichtheid in dergelijke gebieden een significant slechtere progressievrije overleving hadden. Een gerichte studie van patiënten met nierkanker in stadium III, van wie ongeveer 50% progressie vertoont na een operatie, onthulde dat er meer dan tien keer minder immuunniches waren bij patiënten die progressie vertoonden.^[13]

Ondanks enkele variaties afhankelijk van het tumortype en de therapie, zijn de meeste studies het erover eens dat tumorinfiltrerende lymfocyten (TIL's) bij patiënten die reageren op checkpointblokkade-therapie, zoals anti-PD1-therapie, meer TCF1⁺ vroege T-geheugencellen bevatten, terwijl ze minder T-cellen met een uitgeput fenotype bevatten in vergelijking met TIL's bij niet-responders. Een studie uitgevoerd op het preklinische model van darmkanker heeft aangetoond dat PD-1-blokkade een verschuiving teweegbrengt van naïeve-achtige naar geheugen-precursor-achtige subgroepen, die in stand worden gehouden door de transcriptionele regulator TCF-1. Er is ook gerapporteerd dat de effectiviteit van CAR-T-celtherapie bij chronische lymfatische leukemie afhangt van het aantal vroege T-geheugencellen en T-celuitputting.^[12]