Role of Arginase 1 and Nitric Oxide Synthase 2 as enzymatic mediators of the immunosuppressive activity in tumor-infiltrating myeloid derived suppressor cells

MDSCs (myeloid derived suppressor cells) are one of the most important immunoregulatory populations involved in the generation of a permissive environment allowing tumor escape, progression and spreading. In physiologic conditions MDSCs protect the organism from exacerbated immune responses in order to protect surrounding tissues from damage. During tumor growth, cancer cells produce TDSFs (tumor derived soluble factors), which induce MDSC accumulation and their acquisition of a persistent suppressive activity. Among the several mechanisms exploited by MDSCs to exert their suppressive function, L-arginine metabolism seems to be fundamental for the alteration of the tumor microenvironment and for the generation of T effector cell dysfunctions. This work highlights the in vivo requirement for ARG1 and NOS2 in the biology of MDSCs during tumor development. MDSCs are known for their phenotypic and functional complexity. It is clear that many factors can shape their identity and function: here we show, indeed that tumor microenvironment can “educate” them progressively. We illustrate that ARG1 and NOS2 are fundamental for MDSC-mediated T cell suppression in vivo but also for the expansion of the suppressive subsets of MDSCs. L-arginine metabolism mediated by these enzymes is crucial for tumor spreading and metastasis, as depletion of either enzyme produces a 50-75% reduction in the number of lung metastases. Finally, we show that the effects mediated by the novel drug AT38 are mediated by ARG1/NOS2 reduction and sufficient to improve ACT (adoptive cell therapy) therapeutic approaches. Data here produced represent a body of evidence that could be exploited for improving the efficiency of anti-cancer therapies, and identifies ARG1 and NOS2 as key targets for restoring T cell mediated tumor responses.

Le MDSC rappresentano un’importante popolazione immunoregolatoria coinvolta nella generazione di un microambiente tumorale permissivo, in grado di favorire l’instaurarsi, la crescita e la diffusione del tumore. Le MDSC sono fisiologicamente presenti nell’organismo dove, in caso di infezione o infiammazione si espandono transitoriamente allo scopo di limitare risposte immunitarie eccessive e quindi di evitare danni ai tessuti. Durante la crescita del tumore, le cellule tumorali secernono fattori solubili in grado di indurre l’accumulo delle MDSC e l’acquisizione del loro fenotipo soppressivo. Tra i diversi meccanismi utilizzati dalle MDSC per svolgere le loro funzioni, il metabolismo dell’aminoacido L-arginina sembra avere un ruolo fondamentale nell’alterazione del microambiente tumorale e nella generazione di linfociti T effettori incapaci di generare un’adeguata risposta anti-tumorale. In questo lavoro è stato studiato il coinvolgimento degli enzimi ARG1 e NOS2 nell’attività delle MDSC durante lo sviluppo tumorale. Le MDSC sono note per la loro complessità sia fenotipica che funzionale ed ormai è chiaro che queste caratteristiche possono essere plasmate da molti stimoli differenti. In questo lavoro, infatti, è stato dimostrato che durante la sua crescita il tumore è in grado di “educare” le MDSC. Abbiamo inoltre mostrato che ARG1 e NOS2 sono fondamentali non solo per la soppressione in vivo dei linfociti T ma anche per l’ espansione delle MDSC. Risulta inoltre evidente come il metabolismo di L-arginina mediato da ARG1 e NOS2 sia cruciale nella per la diffusione delle cellule tumorali e per il processo metastatico. Infatti la deplezione di anche uno solo di questi due enzimi provoca una riduzione del 50-75% nel numero di metastasi polmonari. Infine, abbiamo dimostrato come l’effetto mediato da un nuovo farmaco, AT38, sia dovuto, almeno in parte, alla riduzione di ARG1 e NOS2 e come questo sia sufficiente a migliorare l’efficacia di approcci terapeutici, quali il trasferimento adottivo. I dati riportati in questa tesi rappresentano quindi una solida evidenza del fatto che ARG1 e NOS2 possano rappresentare un rilevante bersaglio terapeutico in grado di aumentare l’efficacia delle terapie anti-tumorali.