Migration of T cells into the tumor microenvironment and successful T cell survival at the tumor site are key for robust anti-tumor immune responses. The CXCR3 chemokine system grants CD4+ and CD8+ T cells entry to peripheral sites by interaction of the receptor CXCR3 with its interferon-inducible ligands CXCL9/10/11. Human CD8+ stem cell memory T cells (TSCM) form an early differentiated T cell subset characterized by a high CXCR3 ex-vivo expression state and the potency to execute robust antigen-specific responses yet to maintain proliferative potential in-vivo. To dissect the interlink how the CXCR3 chemokine system impacts the function of CD8+ TSCM may reveal mechanistic components relevant for anti-tumor responses. T cell infiltration per se has been identified as a positive prognostic factor in multiple malignancies, e.g., in bladder cancer. Bladder tumors harbor an immunogenic environment including cytotoxic CD4+ and dysfunctional CD8+ T cell states and represent a suitable human model to investigate immune mechanisms for clinical application. The aim of this study was to investigate how the human CXCR3 chemokine system modulates early differentiated CD8+ TSCM migration and effector function. The identified CXCR3 chemokine components were applied for the characterization of the tumor microenvironment in bladder cancer in relation to the clinical outcome and other solid tumors. Early differentiated CD8+CXCR3high TSCM were found in the blood of healthy humans and bladder cancer patients at similar frequencies. CD8+CXCR3high TSCM were enriched in lymph nodes accompanied by tumor activity of CXCL9/10/11. In functional assays, CXCL9/10/11 induced migration of CD8+ TSCM, but only CXCL11 activated antigen-specific CD8+ TSCM. Dissection of CXCR3 into its isoforms revealed high expression of CXCL11-reactive CXCR3alt in CD8+ TSCM. The CXCR3alt-CXCL11 stimulatory immune axis was analyzed within the inflammatory tumor microenvironment of bladder cancer and tested for clinical relevance. Intra-tumoral, pre-treatment abundance of CXCR3alt and CXCL11 correlated with high levels of tumor-infiltrating T cells, associated with improved OS and in combination, predicted the response to chemotherapy in 20/20 patients. In a second patient cohort, a CXCL11high tumor state before chemotherapy associated with improved OS (n=68). CXCR3 expression was confirmed in early differentiated CD8+ T cell states in bladder cancer, melanoma and renal cell carcinoma. Ultimately, steps towards CD8+CXCR3high TSCM-based adoptive T cell therapy were developed. In conclusion, the results indicate a migratory but also stimulatory role of the human CXCR3 chemokine system for the function of early differentiated CD8+ T cells. The clinical data imply the CXCR3 chemokine system to be decisive for response to chemotherapy in bladder cancer and suggest protective pan-cancer relevance of intra-tumoral early differentiated CD8+CXCR3high T cells, opening novel therapeutic options.
Migration von T-Zellen in den Tumor und langfristiges Überleben der T-Zellen im Tumor sind Attribute für robuste Immunantworten gegen den Tumor. Das CXCR3 Chemokinsystem ermöglicht es, dass CD4+ und CD8+ T-Zellen mithilfe der Interaktion des CXCR3-Rezeptors und seiner Liganden CXCL9/10/11 ins Gewebe zu migrieren. Humane CD8+ T-Zellen mit Stammzelleigenschaft (TSCM) bilden einen früh differenzierten T-Zell-Subtyp mit hoher ex-vivo CXCR3-Expression. CD8+ TSCM sind in antigen-spezifischen Antworten involviert und behalten dabei ihr proliferatives Potential in-vivo. Die Entschlüsselung, wie das CXCR3 Chemokinsystem die Funktion von CD8+ TSCM beeinflusst, könnte zum Aufdecken von Charakteristika erfolgreicher anti-Tumor Immunantworten beitragen. T-Zell-Infiltration wurde als eigenständiger, positiver Prognosefaktor bei Malignomen beschrieben, unter anderem beim urothelialen Blasenkarzinom. Blasentumore besitzen ein immunreiches Milieu mit zytotoxischen CD4+ und dysfunktionalen CD8+ T-Zell-Eigenschaften und stellen ein humanes Modell zur klinischen Untersuchung von Immunmechanismen dar. Das Ziel der Studie war es, den Einfluss des humanen CXCR3-Chemokin-Systems auf die Migration und Effektorfunktion früh differenzierter CD8+ TSCM zu untersuchen. Die identifizierten Komponenten des Chemokinsystems wurden für die Immuncharakterisierung des Blasentumors angewandt und mit dem klinischen Verlauf der Patienten und weiterer solider Tumore verglichen. Früh differenzierte CD8+CXCR3high TSCM wurden im Blut gesunder Menschen und Blasenkrebspatienten nachgewiesen. CD8+CXCR3high TSCM waren in Lymphknoten zusammen mit Tumor drainierenden CXCL9/10/11 angereichert. In Funktionsassays induzierten CXCL9/10/11 die Migration von CD8+ TSCM, aber nur CXCL11 aktivierte antigen-spezifische CD8+ TSCM. Die Analyse von CXCR3-Isoformen ergab eine hohe Expression von CXCL11-reaktivem CXCR3alt in CD8+ TSCM. Die CXCR3alt-CXCL11 Immunachse wurde im Blasentumor analysiert. Intratumorale Spiegel von CXCR3alt und CXCL11 vor der Behandlung korrelierten positiv mit der Anzahl tumorinfiltrierender T-Zellen und dem Überleben der Patienten und sagten als Markerkombination das Ansprechen auf eine Chemotherapie bei 20/20 Patienten vorher. In einer zweiten Kohorte assoziierte ein CXCL11high Tumorstatus vor Chemotherapie mit verbessertem Überleben (n=68). Letztlich wurde CXCR3-Expression in früh differenzierten CD8+ T-Zellen im Blasentumor, Melanom und Nierenzellkarzinom bestätigt und erste Schritte für eine CD8+CXCR3high TSCM-basierte adoptive T-Zell-Therapie entwickelt. Zusammenfassend zeigen die experimentellen Daten, dass das CXCR3 Chemokinsystem die Migration und die Aktivierung früh differenzierter CD8+ T-Zellen moduliert. Die klinischen Daten implizieren, dass das CXCR3 Chemokinsystem das Ansprechen auf eine Chemotherapie beim Blasenkrebs prädiziert und früh differenzierte CD8+CXCR3high T-Zellen in soliden Tumoren eine protektive Relevanz besitzen, was neue therapeutische Optionen eröffnet.
