Project Funding Details

Problem/unmet need: Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) that differentiate from naïve CD8 positive T cells can control the growth of tumors, which is the basis of cancer immunotherapy. Yet, cancer cells can activate immune checkpoints that are potent in silencing tumor-specific infiltrating lymphocytes (TILs), prohibiting effective killing. Immune checkpoint inhibitors are one way to activate CTLs. However, achieving long-term CTL activity remains a challenge. Hence, additional modalities for optimizing CTL activity to achieve effective long-term anti-cancer responses are needed. Recent insights from our laboratories suggest epigenetic (re)programming of CD8 T cells as an innovative strategy to stimulate differentiation and optimize CTL responses. Solution based on our recent findings: The trajectory from naïve to effector to memory or ‘exhausted’ CD8 T cell states is defined by dynamic changes in the epigenetic landscape. Upon stimulation, a naïve CD8 T cell becomes epigenetically programmed to execute and maintain its effector functions. However, epigenetic factors controlling T cell differentiation remain unidentified. Recent findings in our laboratories revealed that the histone modifier DOT1L generates an epigenetic barrier that maintains the naïve state of CD8 T cells. DOT1L is a highly conserved histone ‘writer’ that methylates lysine 79 on histone H3. H3K79me is a stable histone modification that is associated with gene activation and is known to prevent cellular reprogramming. Using T cell specific Dot1L deletion in mice, we found that naïve CD8 T cells rapidly lose their identity and differentiate antigen-independently towards a memory-like state. Our findings suggest that targeting DOT1L in CD8 T cells provides an opportunity to modulate CTL differentiation and thereby improve immunotherapy. We hypothesize that taking away the epigenetic barrier imposed by DOT1L/H3K79me can boost effector functions of CTLs, prevents the exhaustion of CTLs, or facilitates the reactivation of TILs. Highly specific inhibitors have already been developed to target DOT1L in MLL-rearranged leukemia and one, Pinometostat has been tested successfully in a phase I clinical trial. Here we propose to repurpose this inhibitor for immunomodulation by inhibiting DOT1L in immunotherapy settings. Plan and aims: The concept of modulating CTL differentiation epigenetically (epigenetic reprogramming) in cancer immunology is a novel research direction that is not directly related to our current research program on DOT1L in lymphoid malignancies. Here we propose (following the advice of KWF) a Unique High-Risk project to provide in vivo evidence for the concept of epigenetic (re)programming of CTLs to enhance immunotherapy using established and well-defined mouse tumor and immunotherapy models. This project aims to address the following key question: Does deletion or inhibition of DOT1L in CD8 T cells in vitro boost the anti-tumor response in vivo in TIL and adoptive T-cell transfer (ACT) models? Outlook: This project proposes an exciting innovative strategy, in which cancer-specific immunity is optimized by modulating the epigenetic landscape of naïve CD8 T cells. This epigenetic strategy could potentially be combined with existing strategies aiming to improve cancer immunity. Altering epigenetic barriers ‘from within’ might synergize with checkpoint inhibitor approaches that modulate CTL activity by external signals. In this high-risk high-gain project we will, as a first step, determine the immune-modulatory potential of the druggable epigenetic writer DOT1L in defined mouse models. The ultimate goal is to boost tumor-specific CTL responses in immunotherapy with the help of epigenetic (re)programming.

Achtergrond en probleemstelling Hoewel kankercellen veel op gezonde cellen lijken, zijn er vaak toch hele kleine veranderingen die het afweersysteem als lichaamsvreemd zal kunnen herkennen. Een voorbeeld daarvan is het ontstaan van neo-antigenen door mutaties in coderende stukken van het DNA. Hierdoor kan het afweersysteem gemuteerde cellen herkennen en opruimen. Dat is echter niet altijd efficiënt, bijvoorbeeld omdat kankercellen afweercellen kunnen onderdrukken. Er zijn veelbelovende ontwikkelingen op het gebied van immuuntherapie die deze remming van immuuncellen opheffen om hen daarmee een duwtje in de rug te geven. Dat kan door de immuuncellen die de kankercellen herkennen uit de patiënt te isoleren, ze in het laboratorium op te kweken, en in veel grotere getalen (en gereactiveerd) terug te geven aan de patiënt. Een andere methode is immuuncellen te activeren met speciaal daarvoor ontwikkelde antistoffen zodat ze kunnen ontsnappen aan de actieve onderdrukking door kankercellen. Probleem De resultaten van immuuntherapie zijn indrukwekkend en de nieuwe ontwikkelingen zeer bemoedigend, maar nog lang niet altijd is het resultaat goed of blijvend. Een van de redenen hiervoor is waarschijnlijk dat de activatie van immuuncellen niet optimaal is, ze worden als het ware niet goed genoeg geprogrammeerd. Voorgestelde oplossing De afgelopen jaren is er veel vooruitgang geboekt in het onderzoek naar chemische stoffen en processen die de activiteit van het DNA zogenaamd ‘epigenetisch’ bijsturen. Daarmee worden de cellen anders epigenetisch geprogrammeerd. In dit onderzoeksvoorstel willen we epigenetische behandeling en immunotherapie bij elkaar brengen omdat we aanwijzingen hebben dat daarmee de effectiviteit van immunotherapie zou kunnen worden verbeterd. Onze hypothese is dat we de activiteit van immuuncellen tegen kanker kunnen verhogen als we de immuuncellen epigenetisch bijsturen of programmeren door de epigenetische ‘schrijver’ DOT1L te ontregelen met specifieke remmers. Het is al bekend dat epigenetica een belangrijke rol speelt bij immuuncel-activatie. Hoe dat kan worden gebruikt is echter nog niet bekend. Ons vooronderzoek heeft een belangrijke en onverwachte aanwijzing gegeven. We hebben gevonden dat als DOT1L wordt ontregeld in de vroege ontwikkeling van immuuncellen in de thymus van de muis, de rijping van immuuncellen versneld lijkt plaats te vinden. Er is al meer bewijs voor het idee dat uitschakelen van DOT1L cellen versneld epigenetisch kan laten programmeren. Daarnaast zijn er specifieke remmers van DOT1L die al in klinisch onderzoek zijn getest. Onze resultaten en de beschikbaarheid van DOT1L remmers maken DOT1L een veelbelovend aangrijpingspunt voor het verbeteren van immuuntherapie. T-cellen bijsturen door epigenetisch programmeren is een veelbelovend nieuw idee maar er is nog zeer weinig bekend over toepassingen in de oncologische immunotherapie-setting. Vanwege de mogelijk grote impact voor de behandeling van kanker, gaan we in dit project een eerste belangrijke stap zetten. We gaan in proefdiermodellen ondersteunend bewijs verzamelen om te bepalen of het bijsturen van DOT1L inderdaad zou kunnen worden ingezet voor de activatie van immuuncellen tegen kanker. Plan van aanpak Om onze hypothese heel precies te kunnen toetsen maken we gebruik van genetisch gedefinieerde muismodellen. We gaan ons richten op de CD8 T-cellen, cellen die specifiek tumorcellen kunnen herkennen en aanvallen. We hebben al goede aanwijzingen dat CD8 T-cellen in ieder geval deels geactiveerd raken door het uitschakelen van DOT1L. De belangrijke vragen die we nu eerst moeten beantwoorden zijn 1) of het uitschakelen van DOT1L ook de functie van CD8 T-cellen in het lichaam positief beïnvloedt en 2) of het ook hun activiteit tegen kankercellen bijstuurt. Deze vragen zullen we bestuderen in goed gedefinieerde kanker-immunotherapie modellen in de muis. Verwachte uitkomst Ons onderzoek zal: - laten zien wat de rol van DOT1L is in de activatie van CD8 T-cellen - inzicht geven in hoe de remming van DOT1L bijdraagt aan het activeren van immuuncellen om kankercellen te bestrijden - aanwijzingen geven over hoe epigenetische therapie nieuwe kansen biedt om immunotherapie te versterken Vervolg en relevantie voor de behandeling van kanker Dit is een korte studie van beperkte omvang. Het betreft onderzoek met een hoog risico omdat er nog weinig studies en resultaten zijn over epigenetisch programmeren van T-cellen voor immuuntherapie. Als we met deze proof-of-concept studie ons sterke vermoeden kunnen bevestigen dat het ontregelen van DOT1L kan bijdragen aan de activatie van CD8 T-cellen en daarmee aan de effectiviteit van immunotherapie, dan zou dat grote impact kunnen hebben op de ontwikkeling van nieuwe immunotherapie-modaliteiten. Er zijn al DOT1L remmers in de kliniek die onderzoek en implementatie zullen bespoedigen. Daarnaast zal meer kennis worden vergaard over het epigenetisch programmeren van immuuncellen in het algemeen. Dit basale onderzoek levert namelijk belangrijke informatie op over hoe immuuncellen epigenetisch worden geprogrammeerd en of het in principe mogelijk is om met ontregeling van DOT1L een boost te geven aan immuuntherapie. De resultaten van dit fundamentele onderzoek zullen niet direct vertaalbaar zijn naar de behandeling van kanker bij de mens. Daar is aanvullend onderzoek voor nodig. De resultaten van dit hoog-risicoproject zullen de basis vormen voor een vervolgaanvraag bij KWF voor dit vervolgonderzoek. We zijn heel optimistisch over de bijdrage die ons onderzoek op iets langere termijn kan leveren aan de behandeling van kanker. Gezien de snelle ontwikkelingen in de kliniek op het gebied van zowel immuuntherapie als epigenetica, verwachten we dat de resultaten van ons onderzoek van groot belang zullen zijn voor het opzetten van innovatieve immuun-therapeutische strategieën.