Cover Page. Author: Zom, Gijs Title: Adjuvant-conjugated peptide vaccines for immunotherapy of cancer Date:

Transcriptie

1 Cover Page The handle holds various files of this Leiden University dissertation Author: Zom, Gijs Title: Adjuvant-conjugated peptide vaccines for immunotherapy of cancer Date:

2 150

3 Nederlandse samenvatting Dankwoord Curriculum Vitae List of publications 151

4 Nederlandse samenvatting Eén op de drie Nederlanders krijgt in zijn of haar leven kanker. Het behoeft dan ook geen uitleg waarom medisch onderzoekers zich met velen inzetten voor het verbeteren van de behandeling van deze ziekte. In wezen is kanker een verzamelnaam voor een verscheidenheid aan kankersoorten die allen gekenmerkt worden door het ongeremd groeien van lichaamscellen. Ondanks de grote verschillen tussen kankertypes worden de meeste mensen nog altijd behandeld met kankertype-onafhankelijke (aspecifieke) en destructieve behandelingen zoals chemotherapie, bestraling en/of chirurgie. Deze behandelingen hebben zich door de tijd bewezen door een deel van de kankerpatiënten (tijdelijk) te genezen, maar brengen vaak ernstige bijwerkingen met zich mee en bieden geen blijvende garantie op genezing. Doordat we met name de laatste twee decennia steeds meer te weten zijn gekomen over hoe tumoren ontstaan en wat de rol van het lichaamseigen immuunsysteem hierin is, zijn onderzoekers zich gaan realiseren dat we behandelingen ook kunnen richten op het activeren van het immuunsysteem om tumoren op te sporen en te vernietigen. Dit soort kankertherapie wordt kanker immuuntherapie genoemd. Immuuntherapie heeft een aantal grote voordelen. Ten eerste kan het immuunsysteem een geheugen opbouwen zodat een succesvolle behandeling van een tumor in theorie ook op lange termijn zal blijven werken. Daarnaast werkt het immuunsysteem door het hele lichaam zodat eventuele uitzaaiingen ook automatisch herkend en opgeruimd zullen worden. Belangrijk is ook dat kanker immuuntherapie zorgt voor een gerichte afweerreactie enkel tegen de kankercellen zodat bijwerkingen beperkt blijven. Hoewel sommige immuuntherapieën ook ernstige bijwerkingen kunnen induceren wordt er in het algemeen verwacht dat deze teruggedrongen kunnen worden door verdere optimalisatie van deze therapieën. Het onderzoek dat in dit proefschrift wordt beschreven richt zich op het ontwikkelen van een therapeutisch vaccin tegen kanker. In tegenstelling tot de algemeen bekende preventieve vaccins tegen infectieziektes, wordt een therapeutisch vaccin toegediend aan mensen die al een tumor hebben ontwikkeld. Door therapeutische vaccinatie wordt het immuunsysteem van de patiënt als het ware aangeleerd hoe het de tumorcellen (opnieuw) moet herkennen en opruimen. Het immuunsysteem bestaat uit een brede verzameling van celtypes die overal in het lichaam te vinden zijn en ieder hun eigen specifieke functie vervullen. Enerzijds bestaat er het aangeboren immuunsysteem dat bestaat uit cellen die een snelle aspecifieke afweerreactie kunnen oproepen tegen allerlei ziekteverwekkers en cellen die afwijkend groeien. Een belangrijk deel van deze immuuncellen, de antigeen-presenterende cellen (APC), hebben de mogelijkheid ziekteverwekkers in zich op te nemen en af te breken. De restproducten van de afbraak van de eiwitten van ziekteverwekkers, peptides, worden vervolgens op het celoppervlak gepresenteerd. Deze peptide presentatie vormt een activatiesignaal voor het andere deel van het immuunsysteem, het aangeleerde of adaptieve immuunsysteem. Cellen behorend tot het adaptieve immuunsysteem, zoals de T-cellen, herkennen ieder één specifiek peptide. Zodra ze hun peptide herkennen op het celoppervlak van de APCs raken ze geactiveerd en gaan zich vermenigvuldigen. Ze gaan vervolgens op zoek naar de ziekteverwekkers die hetzelfde peptide tot expressie brengen en vernietigen deze zodra ze 152

5 Appendices hiermee in aanraking komen. Hetzelfde gebeurt met kankercellen. Dode kankercellen worden opgenomen door APCs en hun peptides worden gepresenteerd aan de T-cellen zodat deze de kankercellen kunnen opsporen en doden. Dit principe verklaart één deel van het hier beschreven vaccin: we vaccineren met een peptide dat specifiek is voor tumorcellen. Het andere deel van ons vaccin heeft een andere functie. Dit is een hulpstof die vastgemaakt (geconjugeerd) is aan het peptide. Deze hulpstof wordt herkend door receptoren die tot expressie worden gebracht door veel typen APCs. Daarom kunnen we door de toevoeging van de hulpstof zorgen dat het peptide daadwerkelijk terecht komt bij de APC, dit noemen we targeting. Aan de andere kant activeert de hulpstof tegelijkertijd de APC zodra de hulpstof aan zijn receptor bindt. De APC brengt namelijk een aantal types receptoren tot expressie die ieder hun eigen specifieke structuren (liganden) herkennen. Een belangrijke familie van zulke receptoren is de Toll-like receptor (TLR) familie, waarvan een aantal subtypes op het celoppervlak van APCs tot expressie komen. De TLR2 receptor is hier een voorbeeld van en herkent een vettige substantie afkomstig uit de celwand van bacteriën. Herkenning van deze substantie zorgt voor activatie van de APC. We kunnen in het laboratorium deze substantie synthetisch namaken en conjugeren aan een peptide. Daarmee hebben we een vaccin ontwikkeld dat zowel tumor-specifiek is, naar de belangrijke APCs wordt getarget en het immuunsysteem in algemene zin activeert. Het onderzoek in dit proefschrift heeft zich gericht op het bepalen van de effectiviteit van deze vaccins, ten opzichte van o.a. vaccins bestaand uit enkel het peptide. In hoofdstuk 1 wordt een introductie gegeven over het onderzoeksveld waartoe deze vaccins behoren door middel van een literatuuronderzoek. In hoofdstuk 2 hebben we onderzocht of de conjugatie van een TLR2-ligand, genaamd Pam3CSK4, aan een tumor-specifiek peptide muizen beter beschermt tegen kanker dan een mengsel van hetzelfde peptide en Pam3CSK4. Het conjugaat vaccin bleek meer tumor-specifieke T-cellen in gevaccineerde muizen te activeren dan een mengsel van het peptide en Pam3CSK4. Bovendien bleken muizen gevaccineerd met het conjugaat vaccin beter beschermd tegen het uitgroeien van twee verschillende agressieve kankertypes. Deze data laten zien dat het targeting en activatie effect van de conjugaat vaccins zorgt voor een versterkt antitumor effect ten opzichte van peptides alleen of een mengsel van peptides en Pam3CSK4. + Chemici van de Universiteit Leiden, waar onze groep intensief mee samenwerkt, zagen mogelijkheid het TLR2-ligand Pam3CSK4 verder te optimaliseren door een kleine aanpassing in de structuur te maken (hoofdstuk 3). We verwachtten dat hierdoor de binding van het nieuwe TLR2-ligand, genaamd Amplivant, met de TLR2 receptor sterker werd. Inderdaad zagen we in hoofdstuk 3 dat Amplivant het belangrijkste type APC, de dendritische cel (DC), sterker activeerde dan Pam3CSK4. Met Amplivant hebben we vervolgens verder onderzocht of het ook beter werkte als Amplivant-peptide conjugaat vaccin. Hoofdstuk 4 beschrijft de potentie van Amplivant-peptide vaccins in kanker immuuntherapie in muismodellen. Muizen die na het inspuiten van tumorcellen onder de huid een voelbare tumor hadden ontwikkeld werden behandeld met een Pam3CSK4-peptide of Amplivant-peptide vaccin. We zagen dat het Amplivant-peptide vaccin een verbetering gaf van het therapeutische effect. Dit bood de mogelijkheid om combinatie therapieën te testen. In onze groep is namelijk tegelijkertijd vastgesteld dat lage doses chemotherapie of laserbestraling van tumoren en peptidevaccinatie samen synergistisch werken. Een combinatie behandeling van een lage dosis cisplatine en 153

6 Amplivant-peptide vaccinatie leidde tot genezing in een significant groter deel van de muizen met een tumor dan muizen die enkel behandeld waren met één van beide therapieën. Hetzelfde gold voor een combinatie van Amplivant-peptide vaccinatie en een vorm van laserbestraling, fotodynamische therapie (PDT). Het uiteindelijke doel van de ontwikkeling van de conjugaat vaccins is de toepassing in kankerpatiënten. Daarom hebben we in hoofdstuk 5 bestudeerd of Amplivant-peptide vaccins ook effectief waren in humane celkweken. Hiervoor gebruikten we o.a. lymfeklier materiaal afkomstig van kankerpatiënten omdat zich hier mogelijk veel T-cellen bevinden die specifiek zijn voor de tumor van de patiënt en omdat de natuurlijke immuunrespons vanuit deze lymfeklier is ontstaan. Ondanks dat het targeting effect in celkweken minder van belang is, zagen we toch dat de conjugaat vaccins een sterkere tumor-specifieke T-cel activatie induceerden. Daarnaast zorgden de Amplivant-peptide vaccins voor en gunstige activatie van APCs in menselijke huid. Dit is van belang omdat in een klinisch onderzoek patiënten ook in de huid zullen worden gevaccineerd. De data in dit hoofdstuk laten zien dat de Amplivantpeptide vaccins ook veelbelovend zijn voor gebruik in kankerpatiënten. Tenslotte hebben we een nieuwe vorm van conjugaat vaccins ontwikkeld, dat niet alleen bestaat uit een peptide en TLR2-ligand Pam3CSK4, maar ook uit een ligand genaamd MDP dat herkend wordt door een andere receptor in APCs, namelijk de NOD2 receptor. Nadat we eerst hadden vastgesteld in welke configuratie je deze moleculen het beste kunnen koppelen, namelijk als MDP-peptide-Pam3CSK4, zagen we dat dit vaccin construct sterke DC activatie eigenschappen had doordat het op beide receptoren van de APCs aangrijpt. Ten opzichte van constructen die óf het MDP gedeelte óf het Pam3CSK4 gedeelte misten deed het MDPpeptide-Pam3CSK4 construct dit vele malen sterker. Dit leidde uiteindelijk ook tot sterkere activatie van peptide-specifieke T-cellen. Dit nieuwe type vaccin is een veelbelovende vervolgstap voor het verbeteren van de conjugaat vaccins. Inmiddels is een klinisch onderzoek met de Amplivant-peptide vaccins gestart in patiënten die een kankertype hebben dat veroorzaakt wordt door chronische infectie met het humaan papilloma virus (HPV). De subtypes HPV16 en HPV18 zijn berucht voor hun oncogene eigenschappen. Er worden jaarlijks meer dan 400 vrouwen in Nederland gediagnosticeerd met HPV16- of HPV18-geinduceerde baarmoederhalskanker. Naast baarmoederhalskanker kan HPV ook o.a. hoofd- en halstumoren en vulvakanker veroorzaken. Een preventieve vaccinatie tegen HPV16 en HPV18 is in 2009 in het Rijksvaccinatieprogramma opgenomen, maar niet alle opgeroepen meisjes laten zich vaccineren en het duurt nog tientallen jaren voordat duidelijk is of deze vaccinatie gewerkt heeft. Daarom hebben we voor het testen van onze conjugaat vaccins in het klinische onderzoek gekozen voor peptides afkomstig van HPV16. Mocht uit de eerste onderzoeken blijken dat deze vorm van vaccinatie veilig is en goede immuunresponsen induceert, is de kans groter dat de Amplivant-peptide vaccins verder klinisch onderzocht zullen gaan worden op hun effectiviteit in kankerpatiënten. De belofte van alle therapeutische vaccins gebaseerd op peptides is dat dit principe te gebruiken is voor de behandeling van allerlei verschillende kankertypes. Ook veelbelovend zijn de mogelijkheden om conjugaat vaccinatie te combineren met andere sterke immuuntherapieën zoals we in hoofdstuk 4 hebben laten zien. De laatste jaren richten onderzoekers zich op het personaliseren van kankerbehandelingen, door bijvoorbeeld een patiënt te vaccineren 154

7 Appendices met peptides met daarin de specifieke mutaties van de tumor van de patiënt. Deze mutaties kunnen namelijk door het immuunsysteem als lichaamsvreemd worden herkend en als gevolg daarvan richt de T-cel respons zich specifiek op de tumorcellen met deze mutatie. De verwachting is dat effectieve kankerbehandeling uiteindelijk voornamelijk bereikt zal worden door het combineren van verschillende therapieën die elkaar aanvullen

8 156

9 Appendices Dankwoord Trots en opgelucht presenteer ik dit proefschrift dat tot stand is gekomen na vierenhalf jaar wetenschappelijk onderzoek in het Leids Universitair Medisch Centrum. Vele mensen zijn in de loop van die tijd betrokken geweest bij het onderzoek. Op deze plaats wil ik jullie graag bedanken voor alle hulp en steun. Ferry, vanaf de dag dat je me probeerde te overtuigen van de aangeboden promotieplaats hebben we een goede wetenschappelijke en persoonlijke klik gehad. Bedankt voor je betrokkenheid, enthousiasme, creatieve oplossingen en wijsheid, ik heb veel van je geleerd. Kees, je bent gedurende mijn onderzoek betrokken geweest bij meerdere projecten en hebt hierin niet alleen inhoudelijk een belangrijke bijdrage geleverd, ook weet je mij en anderen te inspireren door je optimisme en enorme parate kennis. Mooi dat we momenteel nog steeds collega s zijn bij ISA. De Tumorimmunologie groep voelde als een warm bad, er werd hard gewerkt maar op elk moment kon je bij mensen aankloppen voor advies of voor gezelligheid. Marcel, je staat op elk moment van de dag klaar voor iedereen die jouw ervaring en adviezen nodig heeft, je bent een onmisbare schakel in de groep. Ramon, gedurende mijn onderzoek hebben we veelvuldig gepraat over onderzoek, het onderzoekswereldje of andere dingen en ik wil je bedanken voor je nuttige adviezen. Ook de rest van de Tumorimmunologie groep verdient veel dank: Marieke, Selina, Wendy, Rodney, Eleni, Nataschja, Suzanne v D, Esther, Anke, Elham, Heng Sheng, Hreinn, allen bedankt voor jullie nuttige hulp en de prettige sfeer. Candido and Christina, you made it easy for me, you were both great students and it was fun to supervise your projects. In het bijzonder wil ik Suzanne (W), Jan Willem en Tetje bedanken. We hebben ons praktisch tegelijk in dit avontuur gestort en veel aan elkaar gehad. Gelukkig hebben we nog regelmatig contact. + Dit project is een mooi voorbeeld van geslaagde samenwerking tussen chemie en biologie. Al spraken we af en toe abracadabra voor elkaar, uiteindelijk leidden de leuke besprekingen tot mooie bio-actieve conjugaten. Bedankt Marian, Dima, Grote Gijs, Jeroen en Nico! Ook dank aan de collega s van de afdeling IHB, jullie vormden die prettig kritische massa die al het onderzoek beter maakt. Geert, dankzij jou ben ik de statistiek zowaar beter gaan begrijpen. Els, bedankt voor je hulp bij de Luminex analyses. Sjoerd en Marij, we hebben samen een leuk project gedaan met een publicatie tot gevolg, ik heb veel geleerd van jullie klinische ervaring. Nikki en Renske, het was leuk om samen zo efficient te werken aan de proeven die Hoofdstuk 5 hebben gevormd. Ook dank aan de rest van Medische Oncologie voor de scherpe werkbesprekingen en legendarische OncTI's. Een ander hoogtepuntje was de succesvolle en leerzame samenwerking in het VUMC met Tanja en Sinéad, bedankt! Ook de medewerkers op het PDC bedankt voor het faciliteren van de vele proeven die ik bij jullie heb uitgevoerd. Lieve vrienden buiten de academie, de Dingleberries, de Betuwe-groep, de Lapzwaanse, vrienden (oorspronkelijk) uit Zevenbergen, de band, de Mannenborrelgroep, Norbertusalumni en de I&I ers, ik kan jullie moeilijk allemaal bij naam gaan noemen maar toch wil ik jullie 157

10 op deze plaats bedanken voor de indirecte hulp die jullie geboden hebben door jullie oprechte interesse in mijn onderzoek en de gezelligheid die als welkome afleiding op mij af kwam. Dank ook aan de collega s van ISA, die met alle begrip en flexibiliteit hebben bijgedragen aan het afronden van dit proefschrift. Ik ben nog steeds dankbaar voor en blij met de mogelijkheid om bij jullie te komen werken en samen vaccins tegen kanker naar de patient te brengen. Bas, al jaren zijn we goede vrienden en naast het feit dat je een erg guitige gozer bent, hebben we vaak goede gesprekken gehad en elkaar kunnen helpen wanneer dat nodig was. Leuk dat je tijdens de promotieceremonie samen met Marcel paranimf wilt zijn. Geurt, Marion, Monique, Charlotte, Niek en Joris, bedankt voor jullie oprechte interesse en motiverende peptalks! Ma, er zijn wereldwijd maar weinig mensen zo zorgzaam en lief als jij, meer kan ik niet wensen. Thom, ik ben trots op de manier waarop jij lof oogst op je werk, hoe sociaal je bent en daarnaast een succesvolle brouwerij weet te runnen. Pa, jouw onuitputtelijke creativiteit en energie zijn enorm inspirerend voor mij geweest. Je hebt de revolutie van de kanker immuuntherapie niet mee mogen maken, ik hoop dat ik je desondanks trots heb gemaakt. Liefste Suuz, ik had je van tevoren gewaarschuwd: zo n baan als promovendus gaat verder dan een normale 9 tot 5 baan. Gelukkig had je begrip voor de vele werkavonden en heb je me altijd geweldig gesteund. Ik ben ook erg blij met jouw ontwerp voor de cover. We zijn samen een sterk team! Karel, het duurt nog even voor je dit zult lezen maar zelfs op deze jonge leeftijd inspireer je mij al enorm, de liefste zoon die je je kunt wensen. 158

11 Appendices + 159

12 160

13 Appendices Curriculum Vitae Gijs was born in Breda on the 15th of August in 1984 and grew up in Zevenbergen. After completing the Gymnasium at the Norbertuscollege in Roosendaal, Gijs studied Pharmacy at the University of Utrecht. He completed his Bachelor in 2006 before switching to a Master s program of Biomedical Sciences at the University of Utrecht. The Master s program Immunity & Infection focused on scientific research in the microbiology and immunology field. During his first internship, Gijs studied factors underlying the epidemicity of methicillin-resistant S. aureus (MRSA) at the Dept. Medical Microbiology (Eijkman-Winkler Institute) in the University Medical Center in Utrecht under supervision of Dr. Wouter Jansen. The second internship, under supervision of Dr. Sytse Piersma and Prof. Dr. Sjoerd van der Burg at the Dept. Clinical Oncology of the Leiden University Medical Center (LUMC), focused on the characterization of regulatory T cells. Gijs obtained his Master s degree in February He then joined De Praktijk in Amsterdam, a bureau dedicated to development of science-based educational material and science communication. After a year and a half at De Praktijk, Gijs applied for a PhD position at the LUMC in the Tumorimmunology group of the Dept. Immunohematology and Bloodtransfusion. In October 2010, he started working under the supervision of Ferry Ossendorp and Kees Melief on the research project of which the results are described in this thesis. He is currently employed at ISA Pharmaceuticals, Leiden, to further progress clinical testing of synthetic long peptide-based vaccination strategies

14 162

15 Appendices List of publications TLR ligand-peptide conjugate vaccines: toward clinical application. Zom GG, Khan S, Filippov DV, Ossendorp F. Adv Immunol. 2012;114: Design, automated synthesis and immunological evaluation of NOD2-ligand-antigen conjugates. Willems MM, Zom GG, Meeuwenoord N, Ossendorp FA, Overkleeft HS, van der Marel GA, Codée JD, Filippov DV. Beilstein J Org Chem Jun 26;10: Two in one: improving synthetic long peptide vaccines by combining antigen and adjuvant in one molecule. Zom GG, Filippov DV, van der Marel GA, Overkleeft HS, Melief CJ, Ossendorp F. Oncoimmunology Jul 3;3(7) Efficient induction of antitumor immunity by synthetic toll-like receptor ligand-peptide conjugates. Zom GG, Khan S, Britten CM, Sommandas V, Camps MG, Loof NM, Budden CF, Meeuwen oord NJ, Filippov DV, van der Marel GA, Overkleeft HS, Melief CJ, Ossendorp F. Cancer Immunol Res Aug;2(8): N-tetradecylcarbamyl lipopeptides as novel agonists for Toll-like receptor 2. Willems MM, Zom GG, Khan S, Meeuwenoord N, Melief CJ, van der Stelt M, Overkleeft HS, Codée JD, van der Marel GA, Ossendorp F, Filippov DV. J Med Chem Aug 14;57(15): Lipophilic Muramyl Dipeptide-Antigen Conjugates as Immunostimulating Agents. Willems MM, Zom GG, Meeuwenoord N, Khan S, Ossendorp F, Overkleeft HS, van der Marel GA, Filippov DV, Codée JD. ChemMedChem Jan 19;11(2):190-8 TLR2 ligand-synthetic long peptide conjugates effectively stimulate tumor-draining lymph node T cells of cervical cancer patients. Zom GG, Welters MJ, Loof NM, Goedemans R, Lougheed S, Valentijn RR, Zandvliet ML, Meeuwenoord NJ, Melief CJ, de Gruijl TD, Van der Marel GA, Filippov DV, Ossendorp F, Van der Burg SH. Oncotarget Oct 11;7(41):

16 164