Multi-peptide-based vaccines for personalized cancer therapy : Analytical fundamentals translated into clinical applications

Genomics (Oligonukleotid Mikroarray-basierte Expressionsanalyse) und Analyse des MHC Klasse I-Ligandoms (Massenspektrometrie) wurden zur Charakterisierung von primären Nierenzellkarzinomen kombiniert, um Impfstoffe für die Immuntherapie bei Tumorerkrankungen entwickeln zu können. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren schnell genug ist, um nach chirurgischer Entfernung des Tumors in angemessener Zeit eine Impfung des Patienten zu ermöglichen. An sieben Beispielen wurde dargestellt, dass es möglich ist, aus dem entnommenen Tumor die Informationen zu erhalten, welche für das Design eines Peptid-basierten Multi-Epitop-Impfstoffes benötigt werden. Der Impfstoff ist auf den einzelnen Patienten zugeschnitten und berücksichtigt dessen individuelle Target-Moleküle sowie alle seine exprimierten HLA-Allele. In-vitro T-Zell-Analysen, welche exemplarisch für zwei der neu entdeckten Liganden durchgeführt wurden, bestätigten die Anwendbarkeit des neuen Verfahrens. Es konnte gezeigt werden, dass es sich bei den Liganden erstens um T-Zell-Epitope handelt und zweitens, dass T-Zellen, welche diese Epitope erkennen, Tumorzellen auslöschen können und gleichzeitig gesunde Kontrollzellen verschonen. Als wesentlicher Bestandteil des gesamten Verfahrens wurde eine auf Oligonukleotid Mikroarrays basierende Expressionsdatenbank erstellt, welche es erlaubt, die Expression eines beliebigen sich auf dem Array befindlichen Genes (insgesamt 22.000 Gene) in zwanzig verschiedenen gesunden Geweben und Organen abzurufen. Eine klinische Studie zur Erprobung des Verfahrens wurde begonnen und die ersten vier Patienten bereits rekrutiert und analysiert. Der zweite Teil der Dissertation beschreibt Ergebnisse auf dem Gebiet der Antigenprozessierung. Zum einen wurde eine neue Aminopeptidase, die sich im Lumen des Endoplasmatischen Retikulums befindet und in das Trimming von Epitopen involviert ist, untersucht. Diese wurde inzwischen als ERAP1 identifiziert. Weiter konnte gezeigt werden, dass Tripeptidylpeptidase eine wesentliche Rolle bei der Generierung eines MHC Klasse I-Epitopes spielt.Genomics (oligonucleotide microarray based expression profiling) and MHC class I-ligandome analysis (mass spectrometry) were combined to analyse tumors of renal cell carcinoma patients. This can be performed in an appropriate timeframe after surgical intervention to allow rapid subsequent vaccination. Thus, it was demonstrated in seven cases that it is possible to extract information from a single excised tumor specimen that leads to an optimized design of a multi-epitope, peptide-based vaccine directed against the tumor of an individual patient and considering all expressed HLA-alleles. New tumor associated antigens together with MHC class I-ligands encoded by them can be identified using this approach. In vitro T cell analyses carried out for two of the newly discovered ligands have proven that, first, they were T cell epitopes, and, second, T cells specific for these epitopes mediated lysis of tumor cells but not control cells. As part of the complete approach, a database based on oligonucleotide microarrays was built covering 22.000 gene expression values of twenty one human healthy tissues and organs. Finally, a clinical study using this approach was started and four RCC patients were already analyzed and three patients vaccinated. The results of this thesis presented in part two provided new insights into the antigen processing mechanisms. First, there was evidence for a novel luminal endoplasmic reticulum aminopeptidase involved in epitope trimming events, which in the meantime has been identified as being ERAP1. Second, it could be shown that tripeptidyl peptidase plays an essential role in the generation of an MHC class I epitope