Characterization of programmed death ligand 1 expression and analyses of its immune-regulatory role in pancreatic ductal adenocarcinoma

Rahn, Sascha

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) represents one of the most fatal malignancies. The dismal prognosis is attributed to the late detection of PDAC in already locally advanced or metastatic stages and high recurrence rates in patients that have undergone curative surgical resection. Since, palliative chemotherapeutic regimens constitute the only therapeutic option for most of PDAC patients, efficient alternatives are urgently needed. Targeting of the immune checkpoint co-inhibitory molecules programmed death protein 1 and programmed death ligand 1 (PD-L1) revolutionized therapy concepts for several malignancies but has not been proven effective in the treatment of PDAC patients. Hence, the present study aimed to gain a deeper insight into the tumor biological role of PD-L1 in PDAC. Immunohistochemical PD-L1 staining in pancreatic tissue sections of 59 PDAC patients revealed a pronounced inter- and intra-tumoral heterogeneity, which correlated with malignancy-associated alterations in pancreatic tissues and reduced post-surgical patient survival. Considering staining heterogeneity, the POLE Score system has been developed to classify differences in overall PD-L1 staining, tumoral/stromal origin, tumor-associated lymph follicles and the spatial distribution of PD-L1+ cells. Analyses indicated that PD-L1 is expressed in only a third of the PDAC tissues and staining is predominantly located in leukocyte populations like tumor-associated macrophages (TAMs). Moreover, lineage marker analyses in serial tissue section revealed that strong PD-L1 staining is mainly located at the tumor-lymphatics interface as well as the tumor margin accompanied by pronounced TAM and CD8+ T lymphocyte (CD8T) infiltration. In order to study the interaction between PDAC cells, TAMs and T cells as well as the role of PD-L1 in more detail, an in vitro setting has been established composed of the cell line PancTu-I, M1-like polarized primary human macrophages (M1 MΦ) and autologous pre-activated CD8T. Co-culture experiments showed that PD-L1+ M1 MΦ promoted the effector phenotype of CD8T as well as the CD8T-mediated growth inhibition of PancTu-I cells. In turn, CD8T augmented M1-polarization of M1 MΦ. In contrast, PD-L1+ PancTu-I cells attenuated the proliferation and effector phenotype of CD8T, while vice versa CD8T fostered epithelial-to-mesenchymal transition-associated alterations in PancTu-I cells. The effects of PD-L1 blockade via application of Durvalumab on each cell population markedly differed in dependence the cellular composition within the cultures. Thus, Durvalumab treated M1 MΦ exhibited a more pronounced M1-like phenotype. Considering CD8T, Durvalumab treatment was associated with significantly reduced secretion of effector molecules in mono-culture, elevated PD-1 cell surface levels in co-culture with M1 MΦ as well as enhanced proliferation and improved effector phenotype in co-culture with PancTu-I cells.

Das duktale Pankreasadenokarzinom (engl.: pancreatic ductal adenocarcinoma; PDAC) stellt eine der tödlichsten Tumorentitäten dar, denn die Erkrankung wird meist erst im lokal fortgeschrittenen oder metastasierten Stadium diagnostiziert und die Mehrheit der Patienten mit örtlich begrenzten Tumoren entwickelt nach Resektion entweder lokale Rezidive oder Metastasen. Aufgrund des eingeschränkten Behandlungsspektrums, welches sich für über 80% der PDAC Patienten auf palliative Chemotherapie beschränkt, wird intensiv nach effizienten Alternativen gesucht. Antagonistische Antikörper gegen die co-inhibitorischen Immun-Checkpoint-Moleküle programmed death protein 1 (PD-1) und programmed death ligand 1 (PD-L1) haben die Therapiekonzepte für etliche Krebserkrakungen revolutiniert, aber zeigten bisher noch keine Wirkung in der Behandlung von PDAC Patienten. Daher war das Ziel der vorliegenden Studie die tumor-biologische Rolle von PD-L1 im PDAC näher zu untersuchen. Immunohistochemische Analysen in pankreatischen Gewebeschnitten von 59 PDAC Patienten wiesen eine deutliche inter- und intratumorale Heterogenität der PD-L1 Expression nach, welche mit pathohistologischen Veränderungen sowie einem kürzeren postoperativen Überleben der Patienten korrelierte. Daraufhin wurde das POLE Score System entwickelt, welches die PD-L1 Expression im gesamten Tumor, in Tumor-/Stromazellen und Tumor-assoziierten Lymphfollikeln klassifiziert sowie die räumliche Verteilung PD-L1+ Zellen beschreibt. Nachfolgende Auswertungen zeigten, dass PD-L1 nur in einem drittel der PDAC Gewebe nachweisbar und vorwiegend in Leukozytenpopulationen wie Tumor-assozierten Makrophagen (TAMs) vorzufinden ist. Des Weiteren wiesen Untersuchungen in seriellen Gewebeschnitten darauf hin, dass eine starke PD-L1 Expression vorwiegend im Bereich der Tumorfront sowie der Grenze zwischen Tumor und lymphatischem Gewebe lokalisiert ist sowie mit hoher Infiltration von TAMs und CD8+ T Lymphozyten (CD8T) einhergeht. Basierend auf diesen Befunden wurde ein in vitro System etabliert, welches die PDAC Zelllinie PancTu-I, M1-polarisierte primäre humane Makrophagen (M1 MΦ) und autologe voraktivierte CD8T beinhaltete, um die Interaktion zwischen diesen Zellpopulationen sowie die Rolle von PD-L1 darin näher zu untersuchen. Kokultur-Experimente zeigten, dass PD-L1+ M1 MΦ sowohl den Effektorphänotyp von CD8T als auch die Wachstums-inhibierende Wirkung von CD8T auf PancTu-I Zellen verstärkten. Gleichzeitig förderten CD8T eine stärker ausgrägte M1-Polarisierung in M1 MΦ. Im Gegensatz dazu wiesen CD8T unter Kokultur mit PD-L1+ PancTu-I Zellen eine verminderte Proliferation sowie einen abgeschwächten Effektorphänotyp auf und förderten die Ausbildung einer mesenchymaleren Differenzierung von PancTu-I Zellen. Die Auswirkungen der PD-L1 Blockade mittels Durvalumab auf die jeweiligen Zellpopulation hingen stark von der Zellzusammensetzung innerhalb der Kulturbedigungen ab. So wiesen Durvalumab behandelte M1 MΦ eine stärker ausgeprägte M1-Polarisierung auf. Während CD8T nach Durvalumab Behandlung in Monokultur eine niedrigere Sekretion von Effektormolekülen aufwiesen, führte selbige Behandlung in Kokultur mit M1 MΦ zu einer erhöhten PD-1 Expression sowie in Kokultur mit PancTu-I Zellen zu einer gesteigerten Proliferation und einem stärker ausgeprägten Effekorphänotyp von CD8T.

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Rahn, Sascha: Characterization of programmed death ligand 1 expression and analyses of its immune-regulatory role in pancreatic ductal adenocarcinoma. 2019.

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