Einfluss der PD-1/PD-L1-Achse auf den entzündungsinduzierten Lungenschaden in der COPD

Abstract

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist einer der größten Risikofaktoren für die Entstehung von Lungenkrebs. Zu den innovativsten Therapieansätzen der Behandlung von Lungenkrebs gehören Immuntherapien, die sich gegen den PD-1/PD-L1-Immun-Checkpoint richten. Es sind bereits einige therapeutische Antikörper gegen den PD-1/PD-L1-Immun-Checkpoint bei Lungenkrebs zugelassen. Inwieweit der PD-1-Immun-Checkpoint zur Pathogenese der COPD beiträgt und therapeutische Antikörper gegen PD-1 den Verlauf der COPD beeinflussen, wird kontrovers diskutiert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Erkenntnisse über die Rolle des PD-1/PD-L1-Immun-Checkpoints bei der Pathogenese der COPD zu gewinnen. Zudem sollte geklärt werden, inwieweit im primären Lungentumormodell chronische bakteriell-induzierte Entzündung den PD-1/PD-L1-Immun-Checkpoint in der Tumormikroumgebung aktiviert. Es konnte im Serum und in der bronchoalveolären Lavage (BAL-Flüssigkeit) von COPD-Patienten lösliches PD-1 und PD-L1 nachgewiesen werden. Hierbei zeigte sich eine signifikante positive Korrelation zwischen PD-1 und PD-L1 in der BAL-Flüssigkeit und im Serum von stabilen COPD-Patienten und im Serum von exazerbierenden COPD-Patienten. PD-L1 Konzentrationen im Serum von akut exazerbierenden Patienten waren im Vergleich zu den Serumkonzentrationen von stabilen COPD-Patienten signifikant erhöht. Weiter konnte ein erhöhtes PD-1/PD-L1 Verhältnis in der BAL-Flüssigkeit von stabilen GOLD III/IV Patienten festgestellt werden. Zudem korrelierte das Verhältnis von PD-1 zu PD-L1 negativ mit dem Sollwert des Lungenfunktionsparameters der Einsekundenkapazität (FEV1 predicted). In retrospektiven Schnittproben von COPD-Patienten konnte die Expression von PD-1 und PD-L1 immunhistochemisch im Lungenparenchym in Entzündungszellen detektiert werden. Im Modell des zigarettenrauchinduzierten Lungenschadens wurden Mäuse während der Expositionsphase mit einem therapeutischen Antikörper gegen PD-1 behandelt, während Kontrollmäuse einen Isotyp-Antikörper erhielten. Durch die Gabe des anti-PD-1 Antikörpers wurde die Anzahl an neutrophilen Granulozyten und Lymphozyten in der Lunge signifikant verringert. Invasive Lungenfunktionsmessung sowie stereologische Analysen zeigten, dass die Blockade von PD-1 zu einem verminderten Lungenschaden führte. So resultierte chronische Rauchexposition bei anti-PD-1 behandelten Mäusen in der Lungenfunktionsmessung im Gegensatz zu Kontrollmäusen in keiner signifikanten Zunahme der Vitalkapazität und Compliance - zwei Parameter, die einen rauchinduzierten Lungenschaden anzeigen. Die stereologisch ermittelte mittlere freie Weglänge zwischen den Alveolarsepten gibt Aufschluss über den rauchinduzierten Lungenschaden. Es konnte gezeigt werden, dass die Rauchexposition zu einem Verlust der Lungenstruktur in den Kontrolltieren führte, welcher in den mit dem PD-1 Antikörper behandelten Tieren signifikant verringert war. Auch im bakteriell-induzierten Lungenschadenmodell führte die Blockade des PD-1-Immun-Checkpoints zu einem signifikant verringerten Lungenschaden. Im Kras-abhängigen Lungenkrebsmodell wurde gezeigt, dass chronische bakterielle Entzündung den PD-1-Immun-Checkpoint in der Tumormikroumgebung aktiviert. Es wurde untersucht, inwieweit sich IL-17C-vermittelte Entzündung auf die Blockade des PD-1/PD-L1-Immun-Checkpoints auswirkt. Hierzu wurden Wildtyp und IL-17C defizienten Mäusen wie in den COPD-Modellen während der NTHi-Expositionsphase ein gegen PD-1 gerichteter therapeutischer Antikörper verabreicht. Nach einer vierwöchigen Beobachtungszeit konnte festgestellt werden, dass es in IL-17C defizienten Mäusen durch die Gabe des therapeutischen PD-1 Antikörpers zu einem geringeren Tumorwachstum kam. Dies ging mit signifikant verminderten Konzentrationen an inflammatorischen bzw. tumorfördernden Zytokinen wie IL-6, CCL5 und TNF-α in der Lunge einher. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Aktivierung des PD-1-Immun-Checkpoints in prä-klinischen COPD-Modellen zum Lungenschaden beiträgt. Zudem konnte gezeigt werden, dass im Kras-abhängigen Lungenkrebsmodell IL-17C-vermittelte angeborene Entzündung die Wirkung der Blockade von PD-1 vermindert.

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a major risk factor for the development of lung cancer. The most innovative therapeutic approaches in the treatment of lung cancer include immunotherapies that are directed against the PD-1/PD-L1 immune checkpoint. Therapeutic antibodies against the PD-1/PD-L1 immune checkpoint in lung cancer have already been approved. The extent to which the PD-1 immune checkpoint contributes to the pathogenesis of COPD and therapeutic antibodies against PD-1 influence the course of COPD is discussed controversially. The aim of this work was to analyze the role of the PD-1/PD-L1 immune checkpoint in the pathogenesis of COPD. Additionally, it was also examined to what extent chronic bacterial-induced inflammation activates the PD-1/PD-L1 immune checkpoint in a primary lung tumor model. PD-1 and PD-L1 concentrations were detected in the serum and in the BAL fluid of COPD patients. There was a significant positive correlation between PD-1 and PD-L1 in the BAL fluid and in the serum of stable COPD patients and in the serum of exacerbating COPD patients. Comparison of stable COPD patients with acute exacerbating patients revealed significant increased PD-L1 concentrations in the serum during acute exacerbations. Furthermore, the PD-1 to PD-L1 ratio was increased in the BAL fluids of stable GOLD III/IV COPD patients. There was also a negative correlation between the lung function parameter FEV1 predicted (one-second capacity) and the ratio of PD-1 to PD-L1. Retrospectively, the expression of PD-1 and PD-L1 was detected immunohistochemically on sections of lung tissue from COPD patients. In the smoke-induced lung damage model, mice were treated with a therapeutic antibody against PD-1 during the exposure phase, while control mice received an isotype antibody. The number of neutrophilic granulocytes and lymphocytes in the lungs was significantly reduced by the administration of the anti-PD-1 antibody. Invasive lung function measurements and stereological analyzes showed that the blockade of PD-1 led to reduced lung damage. In contrast to control mice, chronic smoke exposure of anti-PD-1 treated mice did not lead to a significant increase in vital capacity and compliance, two parameters that indicate smoke-induced lung damage, measured in the lung function. The determined MCL provides information about the smoke-induced lung damage. It could be shown that the smoke exposure led to a loss of lung structure in the control animals, which was significantly reduced in the animals treated with the PD-1 antibody. In the NTHi-induced lung damage model, the blockade of the PD-1 immune checkpoint also led to a significantly reduced lung damage. VI In the kras-dependent lung cancer model, chronic bacterial inflammation resulted in the activation of the PD-1 immune checkpoint in the tumor-microenvironment. It was further examined to what extent IL-17C-mediated inflammation affects the blockade of PD-1/PD-L1 axis. For this purpose, a therapeutic antibody directed against PD-1 as in the COPD models was administered to wildtype and IL-17C deficient mice during the NTHi exposure phase. It could be shown that in IL-17C-deficient mice, the administration of the therapeutic PD-1 antibody resulted in less tumor growth. This was associated with significantly reduced concentrations of inflammatory cytokines such as IL-6, CCL5 and TNF-α in the lungs. This work shows that activation of the PD-1 immune checkpoint in pre-clinical COPD models contributes to lung damage. In addition, it was shown that IL-17C-mediated innate inflammation decreases the response to PD-1 blockade in a model of Kras-driven lung cancer.