Modulazione del microbiota intestinale aumenta l'effetto antitumorale di Radioterapia e terapia con cellule CAR T

Nowadays surgery in combination with chemotherapy or radiotherapy remains the first line of care for cancer patients. Advent of immunotherapy as immune checkpoints blockade and Chimeric Antigen Receptor (CAR) T cell therapy has revolutionized the cancer treatment landscape. However, a significant subset of these patients either fails to respond or eventually relapses and in solid cancers, the CAR T cell immunotherapy has had little to no success in the clinic so far. The gut microbiota is the assemble of the commensal microorganisms present in our intestines and is known to influence the host immune system. Recently, several studies have shown the influence of intestinal microbes on T cell function, in particular in the setting of checkpoint immunotherapy. It has been previously demonstrated that vancomycin can enhance the efficacy of tumor-specific T cells in animal models. In this work, we investigate the impact of gut microbiota on cancer radiotherapy and CD19 CAR T cell therapy outcome. Radiotherapy (RT) exerts potent immune modulatory effects, inducing tumor-associated antigen (TAA) cross-priming with antitumor CD8+ T cell elicitation and abscopal effects. Therefore, we tested whether the gut microbiota modulates antitumor immune response following RT distal to the gut. To modulate gut microbiome composition, we used vancomycin, a well-known antibiotic used to deplete gram-positive bacteria and for its action restricted to the intestine only. We observed that combination treatment of RT and oral vancomycin potentiated the RT-induced antitumor immune response and tumor growth inhibition. This synergy was dependent on TAA cross presentation to cytotoxic CD8+ T cells and on IFN-γ. Notably, butyrate, a metabolite produced by the vancomycin-depleted gut bacteria, abrogated the vancomycin effect. Newly developed CD19-targeting CAR T cells immunotherapy has revolutionized the treatment of patients with relapsed or refractory CD19-positive hematologic malignancies. We decided to investigated the role of the gut microbiota on CAR T cell therapy in a liquid and solid cancer model in vivo. Combination treatment with oral vancomycin and CAR T cell therapy resulted into a significantly improved anti-tumor activity as compared to control mice that translated into an overall survival benefit in both tumor models. Tumor genes differential expression analysis revealed that the synergistic antitumor effect from the antibiotic and CAR T cells combination treatment is due to an increased antigen presentation pathway. Adoptive transfer of AH1 antigen specific CD3+ T cells isolated from mice treated with oral vancomycin and CAR T cell therapy into recepient mice bearing a tumor expressing AH1 but not CD19 antigen, revealed TAA cross-priming as the potential mechanism elicited by antibiotic administration. In conclusion, our study suggests that depletion of vancomycin-sensitive bacteria enhances the antitumor activity of RT and CAR T cells therapy via TAA cross-presentation.

Tutt’oggi la prima linea di terapia per i pazienti malati di cancro rimane la chirurgia in combinazione con radioterapia e/o chemioterapia. La nascita di trattamenti immunoterapici come gli inibitori di immune checkpoints e la terapia con le cellule CAR T (Chimeric Antigen Receptor) ha rivoluzionato il panorama della terapia contro il cancro. Ciononostante, una porzione significativa di pazienti non risponde alla cura oppure presenta ricaduta della malattia. Inoltre, la terapia con cellule CAR T ha avuto ancora poco successo nel trattamento contro i tumori solidi. Il microbiota intestinale è l’insieme dei microorganismi commensali presenti nel nostro intestino ed è noto per essere capace di influenzare il sistema immunitario dell’ospite. Di recente, molti studi hanno dimostrato l’impatto del microbiota intestinale sulla funzione delle cellule T, in particolare nell’ambito della terapia con inibitori di immuno checkpoints. È stato dimostrato che l’antibiotico vancomicina è in grado di aumentare l’efficacia delle cellule T tumore-specifiche nei modelli animali. In questo studio, abbiamo analizzato l’impatto del microbiota intestinale sull’esito del trattamento con radioterapia e terapia con cellule CAR T. La radioterapia esercita potenti effetti immuno-modulatori, inducendo cross-priming per antigeni tumore-specifici di cellule T CD8+ e l’effetto ‘abscopal’. Abbiamo testato se il microbiota intestinale fosse capace di modulare la risposta anti-tumorale dopo il trattamento con radioterapia eseguita in un punto lontano dall’intestino. Per cambiare la composizione del microbiota abbiamo utilizzato l’antibiotico vancomicina che ha come target i batteri gram-positivi ed inoltre è noto per non essere assorbito a livello sistemico. Abbiamo osservato che la radioterapia in combinazione con vancomicina è in grado di potenziare la risposta anti-tumorale indotta dalla radioterapia e inibire la crescita del tumore. Questa sinergia è dipendente dalla cross-presentazione di antigeni associati al tumore (TAA) alle cellule T citotossiche e alla presenza di IFN-γ. Il butirrato, che è una molecola prodotta dai batteri target di vancomicina, abolisce l’effetto di vancomicina stessa. La nuova terapia con le cellule CAR T contro l’antigene CD19 ha rivoluzionato il trattamento dei pazienti con malattie del sangue positive per CD19 refrattarie o recidive. Abbiamo deciso dunque di investigare il ruolo del microbiota intestinale nella terapia con le cellule CAR T sia in un modello tumorale liquido che uno solido. Il trattamento combinato con vancomicina per via orale e la terapia con le cellule CAR T ha aumentato la risposta anti-tumorale paragonata al gruppo controllo, portando inoltre ad una prolungata sopravvivenza degli animali in entrambi i modelli tumorali. L’analisi delle differenze nell’espressione dei geni del tessuto tumorale dei topi trattati con vancomicina e terapia con le cellule CAR T ha rivelato che la sinergia dell’effetto antitumorale è dovuta ad un aumento del meccanismo di presentazione dell’antigene. L'infusione di cellule T specifiche per l'antigene tumorale AH1 in topi ‘recipiente’ portatori di un tumore che esprime l'antigene AH1 ma non CD19, isolate dalle milze dei topi trattati con vancomicina per via orale e terapia con cellule CAR T, ha dimostrato che il meccanismo di cross-priming per antigeni tumore-specifici è responsabile per l’aumento dell’efficacia contro il tumore. In conclusione, il nostro studio suggerisce che l’eliminazione di batteri sensibili alla vancomicina aumenta la risposta antitumorale utilizzando il meccanismo di cross-presentazione di antigeni tumore-specifici.