Driving the next wave of CAR-T cell immunotherapy in solid tumors

Chimeric antigen receptor (CAR) cells arose in the last decades as promising cell-based approaches to treat hematological malignancies. CAR constructs are synthetically designed and overexpressed in immune cells such as T lymphocytes and natural killer (NK) cells to recognize specific antigens associated to cancer cells. CAR systems synergize T cell receptors (TCR) or NK cell receptors (NCR) signalling pathways with antibodies ability to recognize antigens in their conformational structure. Consequently, the anti-tumor immune response is stronger and more efficient in eliminating cancer clones. Unfortunately, these therapies are still quite inefficient against solid malignancies, mostly due to the higher difficulty of immune cells into homing and penetrating the tumor. Solid cancers manifest a suppressive and desmoplastic tumor microenvironment (TME) which acts as a physical barrier and reduces the chances of engineered cells to reach their specific targets. Moreover, tumor-associated antigens (TAAs) are proteins often shared with healthy tissues, thus narrowing the therapeutic window of CAR-bearing cells. Despite promising in vitro results, clinical translations of CAR systems are still far to be completely reached. This thesis will analyze three studies focused on the development of novel strategies to achieve better-performing CAR-based immunotherapies. The identification of tumor-specific antigens (TSAs) that manifest low-to-no expression on healthy tissues is necessary to avoid any immune-related systemic toxicity. Finally, it is necessary to overcome the physical roadblocks of cancer to ensure the anti-tumor activity of CAR-T and CAR-NK cells, enhancing their persistence and migration to the tumor stroma. Different approaches have been evaluated to instate an effective anti-cancer immunotherapy, including the overexpression of chemokine receptors and the development of tunable systems able to discriminate between healthy and transformed cells when the target antigen is shared. Further studies and the combination of different approaches together may implement reachable clinical results, ameliorating the condition of several patients that suffer from solid tumors world-wide.

Negli ultimi anni, le cellule CAR (chimeric antigen receptor) sono emerse come promettenti tecnologie per il trattamento di tumori ematologici. I recettori CAR sono generati artificialmente e over-espressi in cellule immunitarie come linfociti T e cellule Natural Killer (NK) per mediare il riconoscimento di antigeni presenti su cellule tumorali. Il sistema CAR amplifica il pathway di segnalazione del recettore dei linfociti T (TCR) o delle cellule NK (NCR) attraverso la capacità degli anticorpi di riconoscere i target specifici nella loro configurazione tridimensionale: di conseguenza, la risposta anti-tumorale è più forte ed efficace nell’eliminare le cellule cancerose. Sfortunatamente, queste terapie sono ancora inefficaci contro i tumori solidi, principalmente a causa della difficoltà che hanno le cellule immunitarie nell’infiltrarsi all’interno del tumore. Le lesioni solide manifestano un microambiente soppressivo e desmoplastico che agisce come una barriera fisica limitando il riconoscimento dei target da parte delle cellule ingegnerizzate. Inoltre, l’espressione degli antigeni tumore-associati (TAA) è spesso presente anche in tessuti sani, riducendo la finestra terapeutica delle cellule CAR. Nonostante buoni risultati in vitro, l’uso clinico dei sistemi CAR è ancora lontano dall’essere raggiunto. Questa tesi analizza tre articoli focalizzati sullo sviluppo di nuove strategie per superare tali limitazioni e ottenere immunoterapie basate su cellule CAR più efficienti. L’identificazione di antigeni tumore-specifici (TSA) con una ridotta o assente espressione su tessuti sani è necessaria per evitare qualsiasi tossicità sistemica indotta dall’iper-attivazione del sistema immunitario. Infine, è necessario aumentare la persistenza delle cellule CAR e la loro migrazione verso il tumore, per superare le barriere fisiche e garantire l’azione anti-tumorale delle cellule CAR-T e CAR-NK. Molti approcci sono sotto valutazione, tra cui l’over-espressione dei recettori per chemochine che riconoscono citochine secrete dal tumore e lo sviluppo di sistemi attivabili, capaci di distinguere tra cellule sane o trasformate. Ulteriori studi e la combinazione sinergica di differenti metodi potrebbero permettere il raggiungimento di migliori risultati clinici, portando al miglioramento delle condizioni di numerosi pazienti oncologici nel mondo.