eRapport

Harnessing NK Cell Repertoire Diversity in Immunotherapy Against Cancer

Prosjekt
Prosjektnummer
2014027
Ansvarlig person
Karl Johan Malmberg
Institusjon
Oslo universitetssykehus HF
Prosjektkategori
Åpen prosjektstøtte
Helsekategori
Cancer
Forskningsaktivitet
5. Treatment Developement
Rapporter
2017 - sluttrapport
Until recently, NK cells were believed to be short-lived innate lymphocytes with no active involvement in the formation of immunological memory towards encountered pathogens. In recent years, this dogma has been challenged by compelling evidence of how viral infection shapes NK cell repertoires to provide specific protection against subsequent challenges. In the human, CMV-driven expansions of NKG2C+memory or adaptive NK cells have been documented in healthy individuals and in numerous clinical settings, including solid organ transplantation (SOT) and HSCT. Based on these new insights, we have developed a strategy to selectively expand adaptive NK cells in vitro to obtain highly functional cells of a given specificity. The approach was protected by a patent application filed in September 2013 and was the basis for the current HSØ open project. The overall objective of the current HSØ project was to address fundamental mechanisms behind the formation of human natural killer (NK) cell repertoires, and based on knowledge obtained, establish a platform for advanced NK cell therapy against cancer. During the extended grant period we have: • Established the robustness of a protocol for ex vivo generation and expansion of adaptive NK cells. Culture of polyclonal NK cells together with HLA-E expressing feeder cells in IL-15 for 14 days lead to an enrichment of adaptive NK cells with distinct KIR specificities, that were determined by the HLA-genotype of the donor. The ex vivo expanded adaptive NK cells gradually obtained a more differentiated phenotype and displayed specific and highly efficient killing of HLA-mismatched paediatric T- and precursor B-cell acute lymphoblastic leukemia (ALL) blasts, previously shown to be resistant to NK cell killing. The cells also showed potent killing of AML and MDS blasts. (Liu et al., Cancer Immunology Research 2017). • Explored the utility of NK cells as carriers of so called chimeric antigen receptors (CAR), which represent one of the major breakthroughs in cancer immunotherapy during the past years. We have shown that the response of redirected NK-cell subsets against CD19+ targets was dependent on their intrinsic thresholds for activation determined through both differentiation and education by killer cell immunoglobulin-like receptors (KIRs). These findings support the feasibility of primary allogeneic NK cells for CAR engineering and highlight a need to consider NK-cell diversity when optimizing efficacy of cancer immunotherapies based on CAR-expressing NK cells. (Oei et al., Cancer Immunology Immunotherapy, 2018, In Press). • Carried out successful collaboration with the Muenz group at Zurich University and the Parham group at Stanford University to elucidate cellular and molecular mechanisms behind NK cell education (Journal of Clinical Investigation 2016 and Science Immunology 2016). Defined new drivers of adaptive NK cells (Liu et al, Cell Reports 2016). These advances laid the foundation for entering into a license agreement with Fate Therapeutics Inc. to develop the next generation NK cell therapy. In terms of the clinical potential of the current program I have led a Phase I/II NK cell-based immunotherapy trial on 16 patients with treatment-resistant leukaemia of the types myelodysplastic syndrome (MDS), acute myeloid leukaemia (AML) or transitional MDS/AML phases. This trial was carried out at the Karolinska Institute but have paved the way for an intense Nordic collaboration as outlined below. The patients were treated with activated NK cells from related donors. Six of the patients (38 per cent) displayed objective responses to the treatment, some even attaining complete remission and thus becoming symptom-free. Five of these six patients became healthy enough to undergo curative stem cell transplantation, an intervention that was not possible before the NK cell treatment. Three of them have now survived for over three years, one for over five. The infusion of NK cells produced no serious adverse effects. The results open the way for new clinical studies, where there is potential for further improvements to study design that includes producing the next generation of NK cell-based immunotherapy. (Björklund at al. Clinical Cancer Research, 2018 In Press.) Most of the experimental work has been carried out at the Oslo University Hospital and through other funding mechanisms at the Karolinska Institute where I hold a visiting Professor position. We have used several complementary immunological assays to delineate the optimal conditions for NK cell expansion using various feeder cells, beads in combination with cytokines. We have made substantial efforts to show efficacy against a range of primary tumor cells including acute lymphoblastic leukemia and acute myeloid leukemia, which are key targets for initial commercialization of the platform technology. A refined methodological platform allowed us to monitor killing of progenitor cells as well as leukemic stem cells. During the latter part of the project, substantial efforts have been made to identify a suitable industrial partner for licensing of the technology. We are very glad to report a partnership (signed January 2017) with a leading US-based cell therapy company “Fate Therapeutics” that will use our invention for their off-the-shelf NK program (New project supported by HSØ). In addition to the licensing of the technology we have entered into a two-year collaborative effort with a significant support for continued effort at Oslo University Hospital (300kUSD/year for 2 years). The partnership with Fate Therapeutics is a unique opportunity to fast-track the clinical implementation of the invented protocol. Fate has its own animal facility and will allow us to complete the in vivo toxicity and efficacy testing that is necessary to move to the clinic. We are very excited about the chance to work closely with one of the most influential companies dedicated to develop cell-based cancer immunotherapy. Fate therapeutics begun Phase I/II trials based on their first generation NK cell product during 2017 and we anticipate that our invention will lay the foundation for the next generation NK cell product hitting the clinic end 2018 or shortly thereafter. The support from HSØ is instrumental for the ambition to develop a clinical pipeline for advanced cell therapy at OUS in close collaboration with the industry.
2016
Natural Killer (NK) celler er en del av det naturlige immunforsvaret og slike celler har en spesiell evne til å drepe kreftceller. I dette prosjektet har vi kartlagt ulike mekanismer som regulerer NK cellenes funksjonelle potensial. Forskningen har ført til ny innovasjon og utvikling av kliniske protokoller for celleterapi mot kreft.I løpet av 2016 har vi utviklet en ny plattform for å oppskalere antallet NK celler og genetisk modifisering av disse cellene. Det er utført til sammen 6 storskala valideringer av dyrkingsprosedyren ved OUS og Karolinska Instiutet og vi planlegger nå å sammenfatte nødvendig dokumentasjon for å starte en klinisk utprøving som et Norsk-Svensk samarbeide. Målsetningen er at vi løpet av 2017 skal få tillatelse til å utføre behandling av pasienter med aktiverte NK celler. I løpet av året har vi også innledet en dialog med industripartnere om å utvikle neste generasjons celleterapi basert på patentert teknologi. Dette har nå resultert i et sammarbeid som gir oss mulighet til å akselerere den kliniske implementering av våre prekliniske funn. Vi har i tillegg gjort nye funn om de basale mekanismene for hvordan NK cellenes funksjonelle aktivitet reguleres. Forhåpentligvis vil disse oppdagelsene berede grunnen for hvordan vi kan styre NK cellens funksjon. En videreutvikling av denne forskningen håper vi vil gi opphav til legemidler som bremser de cytotoksiske lymfocyttene ved autoimmunsykdom og som forsterker aktiviteten for å gi mer effektiv immunterapi mot kreft. En tredje målsetning for prosjektet er å kartlegge hvordan variasjon i vårt immunforsvar påvirker resultatet av immunologisk behandling av lymfom. Disse studiene har blitt utsatt fordi installasjonen av CyTOF instrumentet, som skal benyttes til høyoppløselig immunologisk fenotyping, ble forsinket. Denne plattformen er nå tilgjengelig og vi regner med at studien vil kunne gjennomføres i løpet av første halvår i 2017.
2015
Det har de siste 5 årene skjedd et gjennombrudd i forståelsen av de cellene som tilhører det naturlige immunforsvaret, deriblant Naturlig Dreper celler (natural killer (NK) celler). Målet i dette prosjektet er å forstå hvordan NK cellenes dreperfunksjon reguleres og bruke de nye opplysningene til å utvikle celleterapi mot kreft.Immunsystemet vårt består av mange forskjellige typer hvite lymfocytter med en raffinert evne til å gjenkjenne virusinfiserte celler og celler som er blitt transformert til kreftceller. Selv om vi i løpet av de to siste tiårene har fått god kunnskap om hvordan de ulike komponentene i immunforsvaret fungerer på molekylært nivå, mangler vi fortsatt evnen til å måle om en person har et godt eller dårlig immunforsvar. Hvert menneske har et unikt immunforsvar (en immunsignatur) hvor variasjon mellom individer er avhengig av ekspresjon av forskjellige reseptorer som regulerer funksjonen til lymfocyttene. Naturlige dreper celler (natural killer (NK) celler) er en type lymfocytt som bidrar til vår beskyttelse mot infeksjoner og kreftutvikling. I denne celletypen styres forsvarsfunksjonen via overflatemolekyler kalt ”killer cell immunoglobulin-like receptors” (KIRs). Epidemiologiske studier har avdekket genetiske sammenhenger mellom ulike kombinasjoner av KIR gener og risikoen for å utvikle autoimmunsykdom og kreft. I dette prosjektet ønsker vi å undersøke hvordan NK cellene modnes (differensieres) og å studere de cellulære mekanismene som regulerer cellenes funksjon. Vi har i løpet av 2015 utviklet nye cellulære og molekylære verktøy slik at vi kan gjøre en detaljert kartlegging av NK-celler på enkeltcellenivå. Variasjoner i sammensettningen av undergrupper (subset) har betydning for resultatet av allogen stamcelletransplantasjon i kreftbehandling. Vi har i 2015 også avsluttet en klinisk behandlingsstudie med NK celler til pasienter med akutt leukemi. Preliminære resultater indikerer at denne behandlingen kan gi god klinisk effekt og fungere som en bro til stamcellstransplantasjon for pasienter med avansert sykdom som ellers er vanskelig å behandle. Vi har til hensikt å studere NK cellenes repertoarer hos pasienter med lymfom og undersøke om det er en sammenheng mellom disse og resultatet av kreftbehandlingen. Til syvende og sist er det vårt mål at disse studiene skal føre til bedre behandlingsresultat etter immunmodulerende behandling og bane vei for nye cellulære terapier basert på overføring av tumor-spesifikke NK-celler.
2014
Det har skjedd et gjennombrudd de siste 5 årene i forståelsen av de cellene som tilhører det naturlige immunforsvaret, deriblant de Naturlige dreper celler (natural killer (NK) celler). Målet i dette prosjektet er å forstå NK cellens funksjonelle regulering og bruke de nye opplysninger til å utvikle celleterapi mot kreft.Immunsystemet vårt består av mange forskjellige typer hvite lymfocytter med en raffinert evne til å gjenkjenne virusinfiserte celler og celler som er blitt transformert til kreftceller. Selv om vi i løpet av de siste to tiårene har fått god kunnskap om hvordan de ulike komponentene i immunforsvaret fungerer på molekylært nivå, mangler vi fortsatt evnen til å måle om en person har et godt eller dårlig immunforsvar. Hvert menneske har et unikt immunforsvar (en immunsignatur) hvor variasjon mellom individer er avhengig av ekspresjon av forskjellige reseptorer som regulerer funksjonen til lymfocytter. Naturlige dreper celler (natural killer (NK) celler) er en type lymfocytt som bidrar til vår beskyttelse mot infeksjoner og kreftutvikling, hvor funksjonen styres via de såkalte ”killer cell immunoglobulin-like receptors” (KIRs). Epidemiologiske studier har avdekket genetiske sammenhenger mellom ulike sett av KIR gener og risikoen for å utvikle auto immun sykdom og kreft. I dette prosjektet ønsker vi å undersøke hvordan NK cellene modnes (differensiering), og studere de cellulære mekanismene som regulerer denne funksjonen. Vi har under 2014 utviklet nye cellulære og molekylære redskap for å gjøre en detaljert kartlegging av NK-celler på enkeltcellenivå og dermed bestemme NK celle repertoar i hvert individ. Ved å analysere den normale variasjon i immunforsvaret hos et stort antall friske individer og pasienter med blodkreft, håper vi å forstå hvordan de unike immunologiske signaturene påvirker utfallet av behandlingen. Til syvende og sist er det vårt mål at disse studiene skal føre til bedre behandlingsresultat etter immunmodulerende behandling, samt bane vei for nye cellulære terapier basert på overføring av tumor-spesifikke NK-celler .
Vitenskapelige artikler
Wagner JA, Rosario M, Romee R, Berrien-Elliott MM, Schneider SE, Leong JW, Sullivan RP, Jewell BA, Becker-Hapak M, Schappe T, Abdel-Latif S, Ireland AR, Jaishankar D, King JA, Vij R, Clement D, Goodridge J, Malmberg KJ, Wong HC, Fehniger TA

CD56bright NK cells exhibit potent antitumor responses following IL-15 priming.

J Clin Invest 2017 Nov 01;127(11):4042-4058. Epub 2017 okt 3

PMID: 28972539

Malmberg KJ, Carlsten M, Björklund A, Sohlberg E, Bryceson YT, Ljunggren HG

Natural killer cell-mediated immunosurveillance of human cancer.

Semin Immunol 2017 Jun;31():20-29. Epub 2017 sep 6

PMID: 28888619

Clancy T, Dannenfelser R, Troyanskaya O, Malmberg KJ, Hovig E, Kristensen V

Bioinformatics Approaches to Profile the Tumor Microenvironment for Immunotherapeutic Discovery.

Curr Pharm Des 2017;23(32):4716-4725.

PMID: 28699527

Malmberg KJ, Sohlberg E, Goodridge JP, Ljunggren HG

Immune selection during tumor checkpoint inhibition therapy paves way for NK-cell "missing self" recognition.

Immunogenetics 2017 08;69(8-9):547-556. Epub 2017 jul 11

PMID: 28699110

Liu LL, Béziat V, Oei VYS, Pfefferle A, Schaffer M, Lehmann S, Hellström-Lindberg E, Söderhäll S, Heyman M, Grandér D, Malmberg KJ

Ex Vivo Expanded Adaptive NK Cells Effectively Kill Primary Acute Lymphoblastic Leukemia Cells.

Cancer Immunol Res 2017 Aug;5(8):654-665. Epub 2017 jun 21

PMID: 28637877

Horowitz A, Djaoud Z, Nemat-Gorgani N, Blokhuis J, Hilton HG, Béziat V, Malmberg KJ, Norman PJ, Guethlein LA, Parham P

Class I HLA haplotypes form two schools that educate NK cells in different ways.

Sci Immunol 2016 Sep;1(3). Epub 2016 sep 9

PMID: 27868107

Landtwing V, Raykova A, Pezzino G, Béziat V, Marcenaro E, Graf C, Moretta A, Capaul R, Zbinden A, Ferlazzo G, Malmberg KJ, Chijioke O, Münz C

Cognate HLA absence in trans diminishes human NK cell education.

J Clin Invest 2016 Oct 03;126(10):3772-3782. Epub 2016 aug 29

PMID: 27571408

Mensali N, Ying F, Sheng VO, Yang W, Walseng E, Kumari S, Fallang LE, Kolstad A, Uckert W, Malmberg KJ, Wälchli S, Olweus J

Targeting B-cell neoplasia with T-cell receptors recognizing a CD20-derived peptide on patient-specific HLA.

Oncoimmunology 2016 May;5(5):e1138199. Epub 2016 feb 18

PMID: 27467957

Liu LL, Landskron J, Ask EH, Enqvist M, Sohlberg E, Traherne JA, Hammer Q, Goodridge JP, Larsson S, Jayaraman J, Oei VY, Schaffer M, Taskén K, Ljunggren HG, Romagnani C, Trowsdale J, Malmberg KJ, Béziat V

Critical Role of CD2 Co-stimulation in Adaptive Natural Killer Cell Responses Revealed in NKG2C-Deficient Humans.

Cell Rep 2016 05 03;15(5):1088-99. Epub 2016 apr 21

PMID: 27117418

Björklund AT, Clancy T, Goodridge JP, Béziat V, Schaffer M, Hovig E, Ljunggren HG, Ljungman PT, Malmberg KJ

Naive Donor NK Cell Repertoires Associated with Less Leukemia Relapse after Allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation.

J Immunol 2016 Feb 01;196(3):1400-11. Epub 2016 jan 8

PMID: 26746188

Liu LL, Pfefferle A, Yi Sheng VO, Björklund AT, Béziat V, Goodridge JP, Malmberg KJ

Harnessing adaptive natural killer cells in cancer immunotherapy.

Mol Oncol 2015 Dec;9(10):1904-17. Epub 2015 okt 20

PMID: 26604011

Béziat V, Sleiman M, Goodridge JP, Kaarbø M, Liu LL, Rollag H, Ljunggren HG, Zimmer J, Malmberg KJ

Polyclonal Expansion of NKG2C(+) NK Cells in TAP-Deficient Patients.

Front Immunol 2015;6():507. Epub 2015 okt 6

PMID: 26500647

Sohlberg E, Pfefferle A, Andersson S, Baumann BC, Hellström-Lindberg E, Malmberg KJ

Imprint of 5-azacytidine on the natural killer cell repertoire during systemic treatment for high-risk myelodysplastic syndrome.

Oncotarget 2015 Oct 27;6(33):34178-90.

PMID: 26497557

Forslund E, Sohlberg E, Enqvist M, Olofsson PE, Malmberg KJ, Önfelt B

Microchip-Based Single-Cell Imaging Reveals That CD56dimCD57-KIR-NKG2A+ NK Cells Have More Dynamic Migration Associated with Increased Target Cell Conjugation and Probability of Killing Compared to CD56dimCD57-KIR-NKG2A- NK Cells.

J Immunol 2015 Oct 1;195(7):3374-81. Epub 2015 aug 28

PMID: 26320254

Goodridge JP, Önfelt B, Malmberg KJ

Newtonian cell interactions shape natural killer cell education.

Immunol Rev 2015 Sep;267(1):197-213.

PMID: 26284479

von Bahr L, Blennow O, Alm J, Björklund A, Malmberg KJ, Mougiakakos D, Le Blanc A, Oefner PJ, Labopin M, Ljungman P, Le Blanc K

Increased incidence of chronic GvHD and CMV disease in patients with vitamin D deficiency before allogeneic stem cell transplantation.

Bone Marrow Transplant 2015 Sep;50(9):1217-23. Epub 2015 jun 1

PMID: 26030049

Sobecks RM, Wang T, Askar M, Gallagher MM, Haagenson M, Spellman S, Fernandez-Vina M, Malmberg KJ, Müller C, Battiwalla M, Gajewski J, Verneris MR, Ringdén O, Marino S, Davies S, Dehn J, Bornhäuser M, Inamoto Y, Woolfrey A, Shaw P, Pollack M, Weisdorf D, Milller J, Hurley C, Lee SJ, Hsu K

Impact of KIR and HLA Genotypes on Outcomes after Reduced-Intensity Conditioning Hematopoietic Cell Transplantation.

Biol Blood Marrow Transplant 2015 Sep;21(9):1589-96. Epub 2015 mai 8

PMID: 25960307

Enqvist M, Ask EH, Forslund E, Carlsten M, Abrahamsen G, Béziat V, Andersson S, Schaffer M, Spurkland A, Bryceson Y, Önfelt B, Malmberg KJ

Coordinated expression of DNAM-1 and LFA-1 in educated NK cells.

J Immunol 2015 May 1;194(9):4518-27. Epub 2015 mar 30

PMID: 25825444

Schlums H, Cichocki F, Tesi B, Theorell J, Beziat V, Holmes TD, Han H, Chiang SC, Foley B, Mattsson K, Larsson S, Schaffer M, Malmberg KJ, Ljunggren HG, Miller JS, Bryceson YT

Cytomegalovirus infection drives adaptive epigenetic diversification of NK cells with altered signaling and effector function.

Immunity 2015 Mar 17;42(3):443-56.

PMID: 25786176

Lunemann S, Malone DF, Grabowski J, Port K, Béziat V, Bremer B, Malmberg KJ, Manns MP, Sandberg JK, Cornberg M, Ljunggren HG, Wedemeyer H, Björkström NK

Effects of HDV infection and pegylated interferon a treatment on the natural killer cell compartment in chronically infected individuals.

Gut 2015 Mar;64(3):469-82. Epub 2014 apr 10

PMID: 24721903

Azzi Tarik, Lünemann Anna, Murer Anita, Ueda Seigo, Béziat Vivien, Malmberg Karl-Johan, Staubli Georg, Gysin Claudine, Berger Christoph, Münz Christian, Chijioke Obinna, Nadal David

Role for early-differentiated natural killer cells in infectious mononucleosis.

Blood 2014 Oct 16;124(16):2533-43. Epub 2014 sep 9

PMID: 25205117

Munneke J Marius, Björklund Andreas T, Mjösberg Jenny M, Garming-Legert Karin, Bernink Jochem H, Blom Bianca, Huisman Cynthia, van Oers Marinus H J, Spits Hergen, Malmberg Karl-Johan, Hazenberg Mette D

Activated innate lymphoid cells are associated with a reduced susceptibility to graft-versus-host disease.

Blood 2014 Jul 31;124(5):812-21. Epub 2014 mai 22

PMID: 24855210

Béziat Vivien, Traherne James, Malmberg Jenny-Ann, Ivarsson Martin A, Björkström Niklas K, Retière Christelle, Ljunggren Hans-Gustaf, Michaëlsson Jakob, Trowsdale John, Malmberg Karl-Johan

Tracing dynamic expansion of human NK-cell subsets by high-resolution analysis of KIR repertoires and cellular differentiation.

Eur J Immunol 2014 Jul;44(7):2192-6. Epub 2014 mai 7

PMID: 24723455

Bengnér Malin, Béziat Vivien, Ernerudh Jan, Nilsson Bengt-Olof, Löfgren Sture, Wikby Anders, Malmberg Karl Johan, Strindhall Jan

Independent skewing of the T cell and NK cell compartments associated with cytomegalovirus infection suggests division of labor between innate and adaptive immunity.

Age (Dordr) 2014 Apr;36(2):571-82. Epub 2013 sep 25

PMID: 24065293

Deltagere
  • Hanna Julie Hoel Prosjektdeltaker
  • Merete Thune Wiiger Prosjektdeltaker
  • Karl-Johan Malmberg Forskningsgruppeleder
  • Jodie Goodridge Forsker (annen finansiering)
  • Michelle Lu Sætersmoen Prosjektdeltaker
  • Axel Berg-Larsen Prosjektdeltaker
  • Kishankumar Chudasama Prosjektdeltaker
  • Trevor Clancy Forsker (annen finansiering)
  • Vincent Oei Sheng Doktorgradsstipendiat
  • Benedikt Jakobs Postdoktorstipendiat
  • Michelle Sætersmoen Doktorgradsstipendiat

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til eRapport

Personvern  -  Informasjonskapsler