Investigation of PD-1/PDL-1/PDL-2 expression and infiltrating T cells in human colorectal carcinoma and its effect on the immune response

Zusammenfassung Neueste Daten deuten daraufhin, dass maligne Tumoren der immunologischen Überwachung über eine Herunterregulierung der T-Zell-Aktivierung mittels eines PD-1 (programmed death 1)/ PDL-1/PDL-2 Signals ausweichen. Dies führt offensichtlich zu einer herabgesetzten Immunantwort und kann somit das Tumorwachstum fördern. Das Oberflächenmolekül PD-1, welches auf T- und B-Zellen, myeloischen Zellen und auf vielen menschlichen Karzinomen exprimiert wird, gehört zu der CD28 Familie, und PDL-1 (B7H1) und PDL-2 (B7DC) wurden als Liganden zu PD-1 beschrieben. Der CD28/B7 Signalweg gehört zu der Gruppe kostimulatorischer Signale, die beim zustande kommen einer T-Zell-gerichteten Immunantwort als zweites kostimulatorisches Signal notwendig sind. In dieser Arbeit wurde die molekulare Expression von PD-1, PDL-1 und PDL-2, von Zytokinen und T-Zell-Subpopulationen im Tumorgewebe von 81 Patienten analysiert, die sich einer kurativen oder palliativen Operation (gemäß UICC- Stadien I-IV) eines primären kolorektalen Karzinoms unterzogen hatten. Es zeigte sich auf Protein- als auch auf molekularer Ebene erstmals, dass PDL-1 und PDL-2 im Tumorgewebe fortgeschrittener Tumorstadien (UICC III/IV) signifikant überexprimiert wurden, PD-1 dagegen erniedrigt exprimiert war. PD-1 wurde dagegen deutlich auf infiltrierenden CD4+ Zellen bei Patienten fortgeschrittener Tumorstadien (UICC III/IV) detektiert, wohingegen PDL-1 auf CD4+ Zellen in frühen Stadien gefunden wurde. Im Vergleich zu den frühen Stadien (UICC I/II) wurde eine grössere Anzahl an T-Zellen mit regulatorischem Charakter in den Tumorstadien III/IV beobachtet. Letzteres würde dem Tumor im Bezug auf sein fortschreitendes Wachstum von Vorteil sein, da regulatorische T-Zellen T-Effektorzellen inhibieren können. Im Tumorgewebe fand sich zudem eine verminderte Expression an IFN-gamma, welches unter anderem T-Effektorzellen aktiviert und damit eine Immunantwort verstärkt. Das Zytokin IL-10, welches mit regulatorischen T-Zellen, aber auch mit T-Helfer (Th)2-Zellen und Tumorgewebe assoziiert ist und antiinflammatorische Eigenschaften besitzt, wurde in höheren Stadien verstärkt nachgewiesen. Dadurch verschafft es dem Tumor einen Überlebensvorteil. Die Beobachtungen in dieser Arbeit zeigen, dass PDL-1 und PDL-2 eine Schlüsselrolle während der Tumorprogression zukommen. Regulatorische T-Zellen sind offensichtlich in den Prozeß der Immunantwort gegen den Tumor eingebunden. Die deutliche PDL-1- und PDL-2-Expression auf T-Zellen insbesondere in frühen Tumorstadien lässt darauf schließen, dass die PD-1/PDL-1- bzw. PD-1/PDL-2-Interaktion inhibitorische Signale zwischen Tumorzellen und den T-Zellen vermittelt. In fortgeschrittenen Stadien (UICC III/IV) waren diese kostimulatorischen Signale auf den T-Zellen nur vermindert vorzufinden. Dies hat zur Folge, dass der Tumor sein Wachstum ungehindert fortsetzen kann, da die anti-Tumor-T-Zell-Antwort, die den Tumor normalerweise in seiner Expansion beeinträchtigt, gestört ist. Es wird somit festgestellt, dass eine Blockade der untersuchten Oberflächenmoleküle PDL-1 oder PDL-2 auf Tumorzellen eine wertvolle Option in der Immuntherapie des humanen kolorektalen Karzinoms darstellen könnte. Angesichts der diskutierten Tatsachen im Hinblick auf das Verhalten der regulatorischen T-Zellen in höheren Tumorstadien könnte sich eventuell eine Option damit eröffnen, die regulatorischen T-Zellen mittels eines spezifischen Antikörpers gegen PDL-1 und/oder PDL-2 zu beeinflussen, um somit die hemmenden Auswirkungen gegenüber der anti-Tumor-Immunantwort zu verhindern oder zu revidieren.
Summary Recent data have suggested that malignant tumors are able to escape from the immunological surveillance on a downregulation of the T cells via a PD-1 (programmed death 1) / PDL-1/PDL-2 signal. This obviously leads to a reduced immune response and thus may promote tumor growth. The surface molecule PD-1, which is expressed on T and B cells, myeloid cells and on many human carcinoma, belongs to the CD28 family, and PDL-1 (B7H1) and PDL-2 (B7DC) are ligands to PD-1. The CD28/B7 signal belongs to the group of costimulatory pathways, which is needed for a T-cell-directed immune response as a second costimulatory signal. In this work, the molecular expression of PD-1, PDL-1 and PDL-2, cytokines and T-cell-subpopulations was analyzed in tumor tissue of 81 patients, which have undergone a curative or palliative surgery (according UICC- stages I-IV) of a primary colorectal cancer. For the first time it was shown on the protein and molecular level, that PDL-1 and PDL-2 were significantly overexpressed in tumor tissue of advanced tumor stages (UICC III/IV), the expression of PD-1, on the other hand was decreased. PD-1 was much more detected on infiltrating CD4+ cells in patients of advanced tumor stages (UICC III/IV), while PDL-1 was found on CD4+ cells in the early stages. In comparison to the early stages (UICC I/II), a larger number of T cells with regulatory character in the tumor stage III/IV was observed. The latter would be an advantage for the tumor in relation to its progressive growth, because regulatory T cells are able to inhibit T-effector-cells. In tumor tissue the expression of IFN-gamma was also reduced, which among others activate T-effector-cells and thus reinforced an immune response. The cytokine IL-10, which is associated with regulatory T cells, but also with T-helper(Th)2-cells and tumor tissue, has antiinflammatory properties and was demonstrated enhanced at higher stages. Thus it gives the tumor a survival advantage. The observations in this study show that PDL-1 and PDL-2 plays a key role during tumor progression. Regulatory T cells are obviously involved in the process of immune response against the tumor. The significant PDL-1- and PDL-2-Expression on T-cells, particularly in the early stages of tumor suggests that the PD-1/PDL-1- or PD-1/PDL-2-interaction mediated inhibitory signals between tumor cells and the T-cell. In advanced stages (UICC III/IV) the costimulatory signals on T-cells were decreased. This means that the tumor's growth can continue unhindered, because the anti-tumor-T-cell-response which the tumor usually affected is disrupted in its expansion. It is thus found that a blockade of the investigated surface molecules PDL-1 and PDL-2 in tumor cells could be a valuable option in the immunotherapy of human colorectal cancer. Given the facts discussed in relation to the behavior of regulatory T cells in advanced tumor stages could possibly be an option to influence the regulatory T cells with a specific antibody against PDL-1 and / or PDL-2, thus to prevent or revise the inhibitory effects against the anti-tumor-immunresponse.