Pretargeted radioimmunotherapy using genetically engineered antibody-streptavidin fusion proteins for treatment of non-hodgkin lymphoma.

Purpose: Pretargeted radioimmunotherapy (PRIT) using streptavidin (SAv)-biotin technology can deliver higher therapeutic doses of radioactivity to tumors than conventional RIT. However, "endogenous" biotin can interfere with the effectiveness of this approach by blocking binding of radiolabeled biotin to SAv. We engineered a series of SAv FPs that downmodulate the affinity of SAv for biotin, while retaining high avidity for divalent DOTA-bis-biotin to circumvent this problem.Experimental Design: The single-chain variable region gene of the murine 1F5 anti-CD20 antibody was fused to the wild-type (WT) SAv gene and to mutant SAv genes, Y43A-SAv and S45A-SAv. FPs were expressed, purified, and compared in studies using athymic mice bearing Ramos lymphoma xenografts.Results: Biodistribution studies showed delivery of more radioactivity to tumors of mice pretargeted with mutant SAv FPs followed by (111)In-DOTA-bis-biotin [6.2 +/- 1.7% of the injected dose per gram (%ID/gm) of tumor 24 hours after Y43A-SAv FP and 5.6 +/- 2.2%ID/g with S45A-SAv FP] than in mice on normal diets pretargeted with WT-SAv FP (2.5 +/- 1.6%ID/g; P = 0.01). These superior biodistributions translated into superior antitumor efficacy in mice treated with mutant FPs and (90)Y-DOTA-bis-biotin [tumor volumes after 11 days: 237 +/- 66 mm(3) with Y43A-SAv, 543 +/- 320 mm(3) with S45A-SAv, 1129 +/- 322 mm(3) with WT-SAv, and 1435 +/- 212 mm(3) with control FP (P < 0.0001)].Conclusions: Genetically engineered mutant-SAv FPs and bis-biotin reagents provide an attractive alternative to current SAv-biotin PRIT methods in settings where endogenous biotin levels are high. Clin Cancer Res; 17(23); 7373-82. (C)2011 AACR.

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

Isolation and Validation of Anti-B7-H4 scFvs from an Ovarian Cancer scFv Yeast-Display Library.

B7-H4 (VTCN1, B7x, B7s) is an inhibitory modulator of T-cell response implicated in antigen tolerization. As such, B7-H4 is an immune checkpoint of potential therapeutic interest. To generate anti-B7-H4 targeting reagents, we isolated antibodies by differential cell screening of a yeast-display library of recombinant antibodies (scFvs) derived from ovarian cancer patients and we screened for functional scFvs capable to interfere with B7-H4-mediated inhibition of antitumor responses. We found one antibody binding to B7-H4 that could restore antitumor T cell responses. This chapter gives an overview of the methods we developed to isolate a functional anti-B7-H4 antibody fragment.

Stoichiometry of Heteromeric BAFF and APRIL Cytokines Dictates Their Receptor Binding and Signaling Properties.

The closely related TNF family ligands B cell activation factor (BAFF) and a proliferation-inducing ligand (APRIL) serve in the generation and maintenance of mature B-lymphocytes. Both BAFF and APRIL assemble as homotrimers that bind and activate several receptors that they partially share. However, heteromers of BAFF and APRIL that occur in patients with autoimmune diseases are incompletely characterized. The N and C termini of adjacent BAFF or APRIL monomers are spatially close and can be linked to create single-chain homo- or hetero-ligands of defined stoichiometry. Similar to APRIL, heteromers consisting of one BAFF and two APRILs (BAA) bind to the receptors B cell maturation antigen (BCMA), transmembrane activator and CAML interactor (TACI) but not to the BAFF receptor (BAFFR). Heteromers consisting of one APRIL and two BAFF (ABB) bind to TACI and BCMA and weakly to BAFFR in accordance with the analysis of the receptor interaction sites in the crystallographic structure of ABB. Receptor binding correlated with activity in reporter cell line assays specific for BAFFR, TACI, or BCMA. Single-chain BAFF (BBB) and to a lesser extent single-chain ABB, but not APRIL or single-chain BAA, rescued BAFFR-dependent B cell maturation in BAFF-deficient mice. In conclusion, BAFF-APRIL heteromers of different stoichiometries have distinct receptor-binding properties and activities. Based on the observation that heteromers are less active than BAFF, we speculate that their physiological role might be to down-regulate BAFF activity.

Use of limitations of radiolabeled anti-CEA antibodies and their fragments for photoscanning detection of human colorectal carcinomas.

Fifty-three patients with histologically proven carcinoma were injected with highly purified [131I]-labeled goat antibodies or fragments of antibodies against carcinoembryonic antigen (CEA). Each patient was tested by external photoscanning 4, 24, 36 and 48 h after injection. In 22 patients (16 of 38 injected with intact antibodies, 5 of 13 with F(ab')2 fragments and 1 of 2 with Fab' fragments), an increased concentration of 131I radioactivity corresponding to the previously known tumor location was detected by photoscanning 36-48 h after injection. Blood pool and secreted radioactivity was determined in all patients by injecting 15 min before scanning, [99mTc]-labeled normal serum albumin and free 99mTc04-. The computerized subtraction of 99mTc from 131I radioactivity enhanced the definition of tumor localization in the 22 positive patients. However, in spite of the computerized subtraction, interpretation of the scans remained doubtful for 12 patients and was entirely negative for 19 additional patients. In order to provide a more objective evaluation for the specificity of the tumor localization of antibodies, 14 patients scheduled for tumor resection were injected simultaneously with [131I]-labeled antibodies or fragments and with [125I]-labeled normal goat IgG or fragments. After surgery, the radioactivity of the two isotopes present either in tumor or adjacent normal tissues was measured in a dual channel scintillation counter. The results showed that the antibodies or their fragments were 2-4 times more concentrated in the tumor than in the normal tissues. In addition, it was shown that the injected antibodies formed immune complexes with circulating CEA and that the amount of immune complexes detectable in serum was roughly proportional to the level of circulating CEA.

Single-cell gene-expression profiling reveals qualitatively distinct CD8 T cells elicited by different gene-based vaccines.

CD8 T cells play a key role in mediating protective immunity against selected pathogens after vaccination. Understanding the mechanism of this protection is dependent upon definition of the heterogeneity and complexity of cellular immune responses generated by different vaccines. Here, we identify previously unrecognized subsets of CD8 T cells based upon analysis of gene-expression patterns within single cells and show that they are differentially induced by different vaccines. Three prime-boost vector combinations encoding HIV Env stimulated antigen-specific CD8 T-cell populations of similar magnitude, phenotype, and functionality. Remarkably, however, analysis of single-cell gene-expression profiles enabled discrimination of a majority of central memory (CM) and effector memory (EM) CD8 T cells elicited by the three vaccines. Subsets of T cells could be defined based on their expression of Eomes, Cxcr3, and Ccr7, or Klrk1, Klrg1, and Ccr5 in CM and EM cells, respectively. Of CM cells elicited by DNA prime-recombinant adenoviral (rAd) boost vectors, 67% were Eomes(-) Ccr7(+) Cxcr3(-), in contrast to only 7% and 2% stimulated by rAd5-rAd5 or rAd-LCMV, respectively. Of EM cells elicited by DNA-rAd, 74% were Klrk1(-) Klrg1(-)Ccr5(-) compared with only 26% and 20% for rAd5-rAd5 or rAd5-LCMV. Definition by single-cell gene profiling of specific CM and EM CD8 T-cell subsets that are differentially induced by different gene-based vaccines will facilitate the design and evaluation of vaccines, as well as enable our understanding of mechanisms of protective immunity.

Direct binding of peptides to MHC class I molecules on living cells. Analysis at the single cell level.

To directly assess the binding of exogenous peptides to cell surface-associated MHC class I molecules at the single cell level, we examined the possibility of combining the use of biotinylated peptide derivatives with an immunofluorescence detection system based on flow cytometry. Various biotinylated derivatives of the adenovirus 5 early region 1A peptide 234-243, an antigenic peptide recognized by CTL in the context of H-2Db, were first screened in functional assays for their ability to bind efficiently to Db molecules on living cells. Suitable peptide derivatives were then tested for their ability to generate positive fluorescence signals upon addition of phycoerythrin-labeled streptavidin to peptide derivative-bearing cells. Strong fluorescent staining of Db-expressing cells was achieved after incubation with a peptide derivative containing a biotin group at the C-terminus. Competition experiments using the unmodified parental peptide as well as unrelated peptides known to bind to Kd, Kb, or Db, respectively, established that binding of the biotinylated peptide to living cells was Db-specific. By using Con A blasts derived from different H-2 congenic mouse strains, it could be shown that the biotinylated peptide bound only to Db among &gt; 20 class I alleles tested. Moreover, binding of the biotinylated peptide to cells expressing the Dbm13 and Dbm14 mutant molecules was drastically reduced compared to Db. Binding of the biotinylated peptide to freshly isolated Db+ cells was readily detectable, allowing direct assessment of the relative amount of peptide bound to distinct lymphocyte subpopulations by three-color flow cytometry. While minor differences between peripheral T and B cells could be documented, thymocytes were found to differ widely in their peptide binding activity. In all cases, these differences correlated positively with the differential expression of Db at the cell surface. Finally, kinetic studies at different temperatures strongly suggested that the biotinylated peptide first associated with Db molecules available constitutively at the cell surface and then with newly arrived Db molecules.