Combined chemotherapy and immunotherapy against experimental malignant brain tumors

Abstract

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and aggressive primary malignant brain tumor in adults. Despite standard treatment including surgery, radiotherapy and temozolomide (TMZ)-based chemotherapy, the prognosis for GBM patients is dismal, and there is a need for novel treatments. One possible therapeutic treatment modality presented here is immunotherapy, either alone or combined with intratumoral TMZ.



In this doctoral thesis, I report enhanced cure of rats and mice with malignant brain tumors after peripheral immunizations using irradiated whole tumor cells transduced to produce different immunostimulatory cytokines such as interferon-gamma (IFNγ), interleukin-7 (IL-7) and granulocyte macrophage-colony stimulating factor (GM-CSF). In the N32 rat glioma model there is a synergistic therapeutic effect when combining immunization with IFNγ- and- IL7-producing tumor cells and this coincides with enhanced systemic proliferation of CD4+ and CD8+ T cells, and an increase in the plasma levels of IFNγ, thereby strengthening the anti-tumor immune response. In addition the synergistic therapeutic effect of immunization with irradiated GM-CSF-producing tumor cells and recombinant IFNγ in the GL261 mouse glioma model is mediated by both CD4+ and CD8+ T cells, and evokes a long-term memory response that protects against secondary tumors without any further treatment.



Further I report that TMZ and cisplatin, two chemotherapeutic agents, could cure 41-45% of GL261 tumor-bearing mice when delivered intratumorally using micro-osmotic pumps. When immunization with irradiated GM-CSF-producing tumor cells is combined with intratumorally administered TMZ, the survival of tumor-bearing mice is synergistically enhanced, while systemic delivery of TMZ abrogates the effect of the immunotherapy. Cisplatin however, does not boost the effect of the immunotherapy.



In conclusion, immunotherapy improves survival in experimental glioma models, and the therapeutic effect is enhanced by intratumoral, but not systemic TMZ treatment.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Trots ett sunt leverne med regelbunden motion och nyttig mat kan vi inte alltid förhindra risken att drabbas av vissa typer av cancer som till exempel hjärntumörer. Den vanligaste formen av elakartade hjärntumörer heter glioblastoma multiforme och är också den mest aggressiva. Symptomen varierar beroende på tumörens storlek och var i hjärnan den växer, och patienter kan få problem med andning, huvudvärk, dubbelseende, svindel, krampanfall, personlighetsförändringar samt att göra vardagliga ting som att gå eller äta.



Idag försöker man att behandla majoriteten av alla elakartade hjärntumörer med kirurgi, men tumörens förmåga att infiltrera den omkringliggande normala hjärnvävnaden gör det nästan omöjligt att ta bort hela tumören med kirurgisk hjälp. Operationen kan möjligen minska tumörens storlek och därigenom lindra många symptom. Tyvärr är sannolikheten stor att de tumörceller som finns kvar efter operation återväxer och bildar nya tumörer, vilket gör det mycket svårt att bli av med tumören. Kirurgi kombineras därför med andra behandlingsformer som strålbehandling och cellgifter. Dessa behandlingsformer är dock problematiska eftersom de ofta ger upphov till allvarliga bieffekter. Kroppens egna immunförsvar försvagas till exempel av cellgiftsbehandling vilket kan leda till allvarliga infektioner som kroppen inte kan ta hand om. Dessutom utvecklar tumörer ofta resistens mot dessa behandlingar och därför lever de patienter som drabbats av glioblastoma multiforme endast i ca 15 månader.



Jag har under mitt avhandlingsarbete arbetat med att utveckla ett vaccin mot hjärntumörer. Vi testar vårt vaccin på möss och råttor med hjärntumörer, och vi avser att sedan applicera våra resultat på patienter. Vårt vaccin består av tumörceller som vi manipulerar genetiskt så att de börjar tillverka ämnen som aktiverar immunförsvaret. Innan vi vaccinerar djuren strålar vi tumörcellerna för att förhindra celldelning och bildandet av nya tumörer vid vaccinationsstället.



I mitt första delarbete (Paper I) har jag studerat råttor med hjärntumörer. Jag har visat att om vi kombinerar vårt tumörcellsvaccin med två ämnen som aktiverar immunförsvaret: IFNγ och IL-7, börjar kroppens egna vita blodkroppar att dela sig och blir fler. Dessa vita blodkroppar börjar i sin tur tillverka mer IFNγ. Med hjälp av blodprov från djuren har vi kunnat mäta en höjning av detta ämne i blodet, vilket har gett oss en indikation på att djuren har svarat på behandlingen. De aktiverade vita blodkropparna färdas sedan genom blodet och tar sig in i hjärnan där de känner igen tumörcellerna som främmande/farliga och dödar tumörcellerna. I min första studie blev 75% av de råttor som fick vårt tumörcellsvaccin med IFNγ och IL-7 helt botade från sina hjärntumörer. De råttor som inte fick någon behandling överlevde inte, och av de råttor som bara fick ett av de immunaktiverande ämnena i sitt vaccin, botade vi 19-25%. Detta visade att vaccinering med två immunaktiverande ämnen var mer effektivt än vaccinering med bara ett ämne.



Vi har sett att våra tumörcellsvaccin fungerar i både råttor och i möss men vi vet inte HUR det fungerar. Därför har vi i det andra delarbetet (Paper II, där jag är andra författare) undersökt möss med hjärntumörer för att ta reda på vilka vita blodkroppar som är viktiga för vårt vaccins inverkan på mössens förlängda överlevnad. Ett sätt att ta reda på detta är att ge mössen antikroppar som binder till och tar bort vissa vita blodkroppar och studera hur detta påverkar vaccinets effekt. Om de celler vi tar bort har en viktig roll för effekten av vårt vaccin förväntar vi oss att dessa möss inte överlever lika länge som de som har sina vita blodkroppar kvar. Vi tog bort två typer av vita blodkroppar som heter CD4 T celler och CD8 T celler. Resultatet blev att nästan inga möss klarade av att bekämpa tumören utan CD4 och CD8 T celler, vilket visade att de hade en vital betydelse för effekten av vaccinet.



I delarbete 3 och 4 (Paper III och IV) har jag förutom att ge mössen vårt tumörcellsvaccin också behandlat dem med två typer av cellgifter: temozolomid och cisplatin. Temozolomid ges som standardbehandling till patienter med hjärntumörer och cisplatin är ett vanligt cellgift som ges till många olika cancerformer. I delarbete 3 jämförde jag att ge mössen en hög dos temozolomid till hela kroppen (ungefär som patienter får läkemedlet idag) med att ge en mycket lägre dos direkt in i tumören. Det visade sig att när cellgiftet gavs direkt in i tumören hade det bättre effekt än när det gavs till hela kroppen (45% jämfört med 8% överlevnad). Genom blodprovstagning av mössen kunde jag också studera effekten av cellgiftet på de vita blodpropparna. De möss som fick höga nivåer av cellgifter i hela kroppen hade färre vita blodkroppar i blodet än de möss som fick lokal cellgiftsbehandling, vilket betyder att det är mindre skadligt för immunförsvaret att ge cellgifterna direkt in i tumören. Därefter testade jag att ge cellgiftet på de två olika sätten tillsammans med tumörcellsvaccinet. Av de möss som bara blev vaccinerade blev 25% botade av tumören. De möss som hade vaccinerats och sedan fick en hög dos av cellgift i hela kroppen lyckades inte överleva, vilket tyder på att cellgifterna dödade de viktiga vita blodkropparna (t.ex. T cellerna) ansvariga för den tumördödande effekten av vaccinet. Däremot överlevde 83% av de möss som fick vaccinet och sedan lokal cellgiftsbehandling, vilket visade att T cellerna inte dog av lokal cellgiftsbehandling utan fanns kvar och kunde tillsammans med cellgiftet bekämpa tumören.

I delarbete 4 visade jag att även lokal behandling av cisplatin också kunde bota 41% av djuren, men att höga doser av cisplatin lokalt i hjärnan även hade allvarliga biverkningar vilket visar vikten av att ge rätt dos av det injicerade cellgiftet.



Vi har tidigare testat ett vaccin på patienter som bygger på resultat från våra djurstudier. Patienters tumörceller manipulerades så att de tillverkade IFNγ och sedan injicerades de in i patienterna. Vi såg en förlängd överlevnad hos vaccinerade patienter med 6-7 månader jämfört med patienter som fick standardbehandling. Förbättringarna som nu gjorts av vaccinet kommer nog i framtiden att möjliggöra en förlängning av överlevnaden hos dessa patienter. Om vi dessutom ger vaccinet med lokal cellgiftsbehandling skulle patienternas överlevnad förhoppningsvis kunna förlängas ytterligare.

• author: Fritzell, Sara
• supervisor: Peter Siesjö; Anna Darabi; Edward Visse
• opponent: MD, PhD Mitchell, Duane A., Duke University, USA
• organization: Neurosurgery; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery; Neurology
• keywords: Cisplatin, Glioma, GM-CSF, IFN-gamma, IL-7, Immunotherapy, Intratumoral chemotherapy, Temozolomide
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:64
• pages: 89 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum, A10, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2013-06-01 10:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-34-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: dca7a7a2-8dcd-409d-a36e-89a339541414 (old id 3736408)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:51:31
• date last changed: 2019-05-22 04:29:21