Metabolic engineering of murine cytotoxic T cells by solute carrier Slc2a1/GLUT1 overexpression to enhance anti-tumor activity

Kirmaier, Martin Edwin (2023): Metabolic engineering of murine cytotoxic T cells by solute carrier Slc2a1/GLUT1 overexpression to enhance anti-tumor activity. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

In the last decade, adoptive T-Cell therapy (ACT) has emerged as a successful treatment of hematological malignancies. However, solid tumors pose challenges created by various factors, including poor infiltration, immunosuppressive factors, and the lack of nutrient viability. In combination with the low vascularisation, the nutrient-deprived tumor microenvironment (TME) is mainly created by the elevated aerobic glycolysis in tumor cells. As one of the main precursor metabolites, glucose is used in vast amounts by the tumor, therefore causing a massive concentration drop in the surrounding matrix. The increased surface expression of facilitative glucose transporters from the solute carrier family 2 (GLUT1/Slc2) on tumor cells plays an essential role in this process, giving them a selective advantage in the created TME. Infiltrating T cells would face a deserted tumor landscape that heavily interferes with their metabolism and consequently, their metabolic need to be functionally active could not be fulfilled. This new paradigm of immune escape mechanism has long been ignored but was more and more shifted into the spotlight, recently. Herein, we propose a novel strategy for ACT of metabolically engineered cytotoxic CD8+ T cells to adapt immune cells to the prevalent glucose concentrations in the TME. In this study, we could reveal that the ectopic overexpression of the glucose transporter GLUT1 encoded by Slc2a1 increased the fitness of primary murine CD8+ T cells (CD8+Slc2a1) in hypoglycemic conditions. Additionally, our results showed augmented functional activity and anti-tumor efficacy, in vitro and partially in vivo. We observed CD8+Slc2a1 undergo a changed metabolic reprogramming affecting their transcriptional landscape, oxidative state, and memory formation. These findings set the foundation for future studies on ACT in combination with GLUT1 overexpression in pre-clinical settings.

Abstract

Im letzten Jahrzehnt hat sich Adoptive T-Zell Therapy (ACT) als erfolgreiche Therapie gegen Blutkrebserkranungen bewährt. Jedoch bergen solide Krebsarten eine größere Herausforderung, welche durch die schlechte Immunzellinfiltration, immunsuppressive Faktoren und nicht zuletzt dem Mangel an Nährstoffen definiert werden. In Kombination mit der schlechten Vaskularisierung kreieren Tumorzellen ein nährstoffarmes Tumormikromillieu (TME) durch ihre hochregulierte glykolytische Aktivität. Als eine der wichtigsten Grundmetabolite wird Glukose in großen Mengen vom Tumor entzogen, wodurch ein substanzieller Konzentrationsabfall in der umliegenden Matrix folgt. Die Überexpression des Glukosetransporters GLUT1/SLC2A1 an der Oberfläche der Tumorzellen spielt eine zentrale Rolle in diesem Prozess, indem es diesen einen selektiven Vorteil im entstandenen TME verleiht. Einwandernde T-Zellen sind daher mit einer nährstoffverlassenen Tumorlandschaft konfrontiert, welche signifikant ihren Stoffwechsel beeinträchtigt und folglich ihre metabolischen Bedürfnisse nicht erfüllen kann. Dieses neue Paradigma der Immunflucht würde lange ignoriert aber findet mehr und mehr Beachtung in diesem Kontext. In dieser Arbeit präsentieren wir eine neue Strategie der ACT indem wir metabolisch modifizierte zytotoxische T-Zellen an die vorherrschenden Glukosekonzentrationen des TME anpassen. Wir konnten zeigen, dass die ektope Überexpression des Glukosetransporters GLUT1 (codiert in Slc2a1) die Fitness von primären murinen CD8+ T-Zellen (CD8+Slc2a1) in hypoglykämischen Bedingungen erhöht. Unsere in vitro und in vivo Ergebnisse zeigen zusätzlich eine erhöhte funktionelle Aktivität und Zeichen verbesserter anti-tumor Effektivität. Außerdem konnten wir beobachten, dass CD8+Slc2a1 Zellen eine metabolische Reprogrammierung durchlaufen, welche zur Veränderung des transkriptionellen und oxidativen Zustandes führt und die Gedächtnisbildung beeinflusst. Diese Ergebnisse sollen als einen Grundstein für künftige präklinische Studien der ACT in Kombination mit GLUT1 Überexpression dienen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Solute Carrier, Slc2a1, GLUT1, T cells, adoptive T cell therapy
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. November 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Theurich, Sebastian