Hypofractionated radiotherapy evokes efficacy in preclinical T cell therapy and immunomodulation in prostate cancer patients

Il tumore alla prostata (TP) è la neoplasia più diagnostica e la seconda più mortale nella popolazione maschile. La radioterapia frazionata, largamente impiegata per trattare la malattia localizzata, ha guadagnato notevole interesse per i suoi effetti immunogenici, che rimangono però limitati contro il TP a causa del suo basso tasso mutazionale. Il laboratorio ospitante ha adottato il modello preclinico singenico TRAMP (Transgenic Adenocarcinoma of the Prostate) e ha sviluppato una terapia T (ACT) nella forma di cellule T ridirezionate con TCR per ripopolare il compartimento endogeno, solitamente ipo-responsivo. La combinazione di tale approccio con RT in 3 dosi giornaliere da 8 Gray (Gy) si è dimostrata in grado di curare adenocarcinoma prostatico avanzato. Gli obbiettivi della mia tesi erano: 1) investigare il meccanismo molecolare che sottende l’efficacia terapeutica della combinazione di ACT e RT e 2) studiare effetti immunomodulatori sistemici della RT in ambito clinico. I dati mostrano che la RT in 3x8 Gy, ma non 3x1 Gy, induce una risposta trascrizionale IFN tipo-I sia in vitro, nella linea cellulare TRAMP-C1 derivata dal modello TRAMP, sia in vivo nella prostata di topi TRAMP. RT in 3x8 Gy è stata in grado di indurre l’espressione di MHC-I e favorire il riconoscimento ed eliminazione delle cellule tumorali da parte delle T ridirezionate. Mentre entrambi i dosaggi hanno aumentato la permeabilità vascolare locale in vivo, solo 3x8 Gy ha promosso l’espansione delle T ridirezionate e la regressione tumorale. In più, 3x8 Gy RT ha permesso l’eradicazione del tumore in combinazione con terapia CAR-T. Per studiare possibili effetti immunogenici sistemici della RT, abbiamo avviato uno studio osservazionale in pazienti con TP sottoposti a RT. Ho utilizzato la citofluorimetria multiparametrica e sviluppato un metodo analitico computazionale per caratterizzare il fenotipo delle cellule T. I dati indicano che la RT induce una linfopenia transiente delle cellule B, T e NK. L’analisi computazione ha identificato un arricchimento di sottopopolazioni di linfociti T CD69+ e HLA-DR+ in seguito a RT. La possibilità che questa sottopopolazione contenga linfociti tumore-specifici rimane interessante e da validare in futuro. In sintesi, questo studio ha caratterizzato effetti immunomodulatori sistemici e locali della RT, mostrando il suo possibile sinergismo con approcci immunoterapici per fornire nuove terapie contro il TP. Lo studio evidenzia inoltre il potenziale della citofluorimetria multiparametrica nel caratterizzare l’immunomodulazione in pazienti durante la terapia.

Prostate cancer (PC) is the most frequently diagnosed and the second deadliest tumor in the male population worldwide. Fractionated radiotherapy (RT), widely used to treat local disease, has gained considerable interest because of tumor cell intrinsic and extrinsic immunogenic effects. The latter are likely hindered in the context of PC by poor immunogenicity and T cell reactivity. The hosting lab exploited the syngeneic autochthonous Transgenic Adenocarcinoma of the Prostate mouse model (TRAMP) and developed an adoptive T cell therapy (ACT) approach in the form of TCR redirected T cells to repopulate the endogenous, poorly responsive repertoire. Combination of ACT and RT in the form of 3 daily doses of 8 Gray (Gy) was able to instruct regression of well-established prostate adenocarcinoma. Aims of my thesis were to: 1) further explore the molecular mechanism subtending the therapeutic efficacy of the combination of RT and ACT and 2) investigate possible systemic immunomodulatory effects of fractionated RT in clinical settings. Data showed that 3x8 Gy RT, and not 3x1 Gy, induced a type-I IFN transcriptional signature and the upregulation of MHC-I surface level enabling tumor cell targeting by TCR-redirected T cells. In addition, while both regimens increased vessel permeability in vivo, only 3x8 Gy promoted redirected-T cell expansion and therapeutic tumor debulking, prolonging TRAMP mouse survival. Additionally, fractionated RT also guided PC rejection by CAR-T cell therapy. To investigate systemic effects of RT, we set up an observational study in a cohort of PC patients undergoing RT. I employed multiparametric flow cytometry and a computational pipeline to perform a deep phenotyping of T cell subsets. Data indicated that fractionated RT induced a transient lymphopenia of T, B and NK cells in PC patients. Within the T cell compartment, I found a time-dependent skewing of T cells differentiation toward an effector phenotype. In particular, I identified an enrichment of CD69+ and HLA-DR+ effector T cells subsets after RT. Overall, this study highlighted local and systemic effects of RT, demonstrating its potential to synergize with immunotherapeutic approaches, paving the way for new combinatorial approaches for treatment of PC. The study also emphasized the power of multiparametric flow cytometry to study patients’ immunomodulation during therapy.