Engineered nanovaccines for anti-tumour immuno-therapy

Det overordnede målet med prosjektet er å utvikle en ny lysaktivert nanovaksine mot kreft. Til dette formålet er det benyttet nanopartikler basert på biologisk nedbrytbar og biokompatibel hyaluronsyre som fungerer som ryggraden for tumorassosierte antigener. For å avgi tumorassosierte antigener til dendritiske celler (DC), de mest potente antigenpresenterende celler, er nanovaksinene overflatebehandlet med ligander for DC-målretting og aktivering. Disse nanovaksinene er kombinert med fotosensibiliserende forbindelser (PSere) som muliggjør lysaktivert induksjon av inflammatoriske signaler. In vitro og in vivo immunbiologisk evaluering er utført i prekliniske melanoma musmodeller, på hud hos tumorfrie mus på DC celler in vitro.. Resultatene kan føre til en mer effektiv eller pre- eller postoperativ behandling av kreftpasienter og redusere risikoen for tilbakefall. Den norske delen av prosjektet startet i februar 2019 og har har hatt som oppgave å optimalisere og kartlegge den fotokjemiske induserte lokale inflammasjonen for å rekruttere DCer før immunisering med nanovaksine. Den fotokjemiske behandlingen ble utført ved å injisere PS subkutant for deretter å aktivere Pseren med lys som vil indusere inflammasjon. Den induserte lokale inflammasjonstilstanden er avhengig av både av lysdose og dose og type photosensitizer injisert i huden. I første del av prosjektet ble det kartlagt de optimale dosene som er tilstrekkelig for induksjon av moderat betennelse uten å forårsake uønskede effekter, for eksempel hudirritasjon eller sår av noe slag. Oppnådd betennelsen ble målt ved å bestemme økning i nivåer av forskjellige proinflammatoriske cytokiner. Etter å ha funnet optimale doser ble tidsaspektet av inflammasjonen beskrevet. En slik akutt indusert inflammasjonstilstand vil raskt bli ryddet opp i av kroppens immunforsvar og gå over etter kort tid. Det er derfor nødvendig med kunnskap om når man oppnår optimale forhold for injeksjon av en nanovaksine. Det ble tatt prøver av huden ved flere tidspunkt etter behandling. Prøvene ble analysert for proinflammatoriske cytokiner samt at det ble utvikle digital patologi for å kvantifisere infiltrasjon av immunceller i hudvevet. Med den utviklede digital patologi-metoden har man mulighet til å kartlegge ved hvilke tidspunkt man har den største immuncelleinfiltrasjon og dermed hvilke tidspunkt som er mest egnet for injeksjon av nanovaksine. Med digital patologi fulgte vi immuncellenes infiltrasjon inn i blodårer og deretter over blodåreveggen og over i de ulike delene av hudvevet. I disse studiene ble det benyttet 2 forskjellige klinisk relevante PSere for forskjellige fysikalsk-kjemiske egenskaper som bk.a. resulterer i forskjellig intracellulær og ekstracellulær lokalisering i huden. Disse har analysene har gitt viktig forståelse av forskjeller mellom photosensitizere som binder seg til ulike deler av cellen og hvordan dette påvirker den inflammasjon i ulike deler av huden. Den fotokjemiske behandlingen induserer en betydelig akkumulasjon av immuneceller, inkludert antigenpresenterende celler, i det bestrålte området på huden. Doseringer og tidspunkt for lysbehandling av huden for optimal akkumulering av immunceller før vaksinering er dokumentert. Dette er viktige parametre for optimal vaksineringseffekt av nanovaksinene som vil ble adminisert til det fotokjemisk behandlede området.

Resultatene gir en grunnleggende forståelse av kinetikken og mekanismene rundt fotokjemisk indusert inflammasjon i huden og kan dermed være svært viktige for hvordan man setter opp optimale eksperimenter for å forsterke den immunologiske effekten av vaksiner. Utviklingen av metodene som er utviklet i dette prosjektet vil også være nyttig i andre forskningsprosjekter. Spesielt digital patologi som muliggjør kvantifisering av immunceller i vev kan ha stor nytteverdi i studier av immunbehandling av kreft. Det er flere selskaper i næringslivet som jobber med å bruke lysindusert inflammasjon i vaksineteknologi og denne studien kan gi informasjon som øker sannsynligheten for å lykkes med denne utviklingen. I dagens samfunn er man nå helt avhengig av å utvikle effektive vaksiner og dette prosjektet er med å skaffe informasjon om hvordan man kan optimalisere vaksiner for størst mulig immunologisk effekt.

In addition to more established treatments such as chemotherapy and radiation therapy, delivering tumour associated antigens to dendritic cells (DCs), the most potent class of antigen presenting cells of our immune system, has emerged as a promising approach by harnessing patients? own immune system at recognizing and eliminating metastatic growth. However, one of the major bottlenecks in this approach is the inability, upon sub-cutaneous or intra muscular injection, of tumour associated peptide antigens to target and activate DCs because of their small size and low immunogenicity. Indeed, peptides rapidly diffuse in the body, instead of reaching the immune-inducing sites in the lymph nodes, and by consequence are incapable of inducing potent anti-tumour immunity. Therefore, there is a clear medical need for a targeted approach that delivers tumour associated antigens and activation stimuli to DCs. In this project we aim at priming the immune system through the development of a novel class of potent but safe nanovaccines based on degradable nanoparticles that target tumour associated antigens and activation stimuli to DCs. For this purpose, we will use the functional and biodegradable/biocompatible properties of the natural polysaccharide hyaluronic acid as backbone for subsequent ligation of DC targeting and DC activating ligands together with lymph node homing cues and tumour associated antigen. These nanovaccines will be combined with photosensitizers for photo-activated engineering of the inflammatory environment at the injection site to promote DC recruitment and to improve antigen presentation in the draining lymph nodes through photochemical internalization. In vitro and in vivo immuno-biological evaluation will be performed in pre-clinical mouse models for melanoma. Promising results obtained in this would lead to a more efficient pre- or post-operative treatment of cancer patients to reduce the risk of recurrence.