The role of 4-1BB-4-1BBL cis-interaction and lactate in the survival and proliferation of CD8+ T cells

Abstract

4-1BB (CD137) plays a crucial role in influencing T cell activity, survival, differentiation, and proliferation. Agonistic anti-4-1BB antibodies have demonstrated the ability to enhance T cell activity by triggering 4-1BB signaling.1,2 Despite the robust induction of CD8+ T cell responses in vivo by agonistic anti-4-1BB mAb, only a relatively small population of 4-1BB+CD8+ T cells was observed in blood or lymphoid organs, such as draining lymph nodes. This paradox prompts a critical inquiry into how agonistic anti-4-1BB mAb induces a massive immune response of CD8+ T cells in vivo, especially in the presence of a limited population of 4-1BB+CD8+ T cells.3,4 4-1BB is expressed on the surface of activated T cells and is known to engage in trans-interactions with 4-1BB ligands (4-1BBL; CD137L) found on antigen-presenting cells (APCs).5,6,7 However, it's essential to note that 4-1BBL is not limited to APCs alone; they are also expressed on the surface of T cells, leading to the expectation of signaling through cis-interactions.4,7,8 The experiment with agonistic antibodies against 4-1BB and 4-1BBL revealed that triggering 4-1BBL facilitated the egress of CD8+ T cells activated by 4-1BB in the lymph nodes. Given the expression of 4-1BBL by CD8+ T cells, both inside and outside the cell, cis-interactions are plausible. Subsequent experiments using 4-1BB-/- and 4-1BBL-/- pmel-1 CD8+ T cells in vivo confirmed that the interaction between 4-1BB and 4-1BBL occurs not only in trans but also in cis, resulting in a more robust increase in CD8+ T cells than trans-interactions.4 These findings elucidate how agonistic anti-4-1BB mAb robustly induces CD8+ T cell responses in vivo despite the relatively small population of 4-1BB+CD8+ T cells. The extensive expansion of CD8+ T cells triggered by agonistic anti-4-1BB mAb cannot be solely explained by the cis-interaction of 4-1BB and 4-1BBL. The Warburg effect, characterized by heightened glucose absorption and lactate production in rapidly proliferating cells, challenges the traditional view of lactate as metabolic waste.10 Instead, it emerges as a crucial energy source for these cells.11 Recent studies reveal that the agonistic anti-4-1BB mAb not only boosts glucose and fatty acid metabolisms but also enhances lactate synthesis.12 As 4-1BB triggering amplifies lactate production in CD8+ T cells,8,13 we investigate whether lactate contributes to the proliferation, survival, and differentiation of CD8+ T cells triggered by agonistic anti-4-1BB mAb, potentially extending the impact of agonistic anti-4-1BB mAb.12 To validate this hypothesis, a combined treatment involving agonistic anti-4-1BB mAb and lactate was administered to mice bearing MC38 mouse colorectal cancer. The objective was to determine if lactate treatment could enhance proliferation of tumor-specific CD8+ T cells and amplify the anti-tumor effects of agonistic anti-4-1BB mAb. In the MC38 tumor model, concurrent administration of sodium lactate (NaLac) exhibited an augmented anti-tumor effect in combination with the agonistic anti-4-1BB mAb. Importantly, this combined effect was observed only in "hot tumors," characterized by a high infiltration rate of immune cells, and not in "cold tumors" with low immune cell infiltration. These findings strongly suggest that lactate supports the survival and proliferation of CD8+ T cells triggered by agonistic anti-4-1BB mAb. The study highlights the significance of cis-interaction between 4-1BB and 4-1BBL in enhancing CD8+ T cell responses. Additionally, it reveals that lactate plays a crucial role in supporting the survival and proliferation of CD8+ T cells triggered by agonistic anti-4-1BB mAb. 4-1BB (CD137)는 T 세포의 활성, 생존, 분화 및 증식에 긍정적인 영향을 미치며, agonistic anti-4-1BB 항체는 4-1BB 신호전달을 강화시켜 T 세포의 활성을 촉진시킨다. 4-1BB는 활성화된 T 세포 표면에서 발현하며 항원제시세포 (antigen-presenting cell; APC)가 세포표면에 발현한 4-1BB ligand (4-1BBL; CD137L)와 trans-interaction을 한다고 알려져 있다. 하지만 최근 4-1BBL는 APC 뿐만 아니라 T 세포 표면에서도 발현되는 것으로 보고되어, cis-interaction에 의한 T 세포 신호전달도 가능할 것으로 예상되었다. 이를 증명하기 위해 agonistic & antagonistic anti-4-1BB와 anti-4-1BBL 항체를 사용하여 실험을 수행하였다. Agonistic anti-4-1BBL 항체는 agonistic anti-4-1BB 항체의 항암효과를 강화하는 것으로 나타났으며, 4-1BBL 신호전달의 강화는 4-1BB로 자극된 CD8+ T 세포가 활성화 후 림프구에서 빠져나가는 과정 (egress)을 촉진하는 것으로 나타났다. 또한, 4-1BBL는 정상적인 T 세포 표면에서는 거의 검출되지 않으며, 4-1BB는 세포막 보다는 세포질내 더 많이 위치하고 있는 것으로 확인되어, 4-1BB-4-1BBL의 cis-interaction 발생 가능성을 조사하였다. 4-1BB-/- & 4-1BBL-/- pmel-1 Tg 생쥐로부터 분리한 CD8+ T 세포의 adoptive transfer 실험을 통해, 4-1BBL가 결핍된 pmel-1 CD8+ T 세포는 anti-4-1BB 항체의 효과가 절반으로 감소하며, anti-4-1BBL 항체의 효과는 완전히 사라짐을 확인하였다. 이러한 일련의 실험을 통해 4-1BB-4-1BBL의 cis-interaction이 trans-interaction 보다 4-1BB-4-1BBL에 의한 CD8+ T 세포 증식 강화효과에 더 높은 비중을 차지하고 있음을 확인하였으며, 활성화된 CD8+ T 세포에서는 4-1BB와 4-1BBL가 서로 cis-interaction하여 세포내에 대부분 위치함으로써 세포막에서는 극히 일부만이 검출되고 있는 것으로 예상되었다. 본 실험들을 통해 생체내 4-1BB+CD8+ T 세포의 비율이 극히 낮음에도 불구하고 agonistic anti-4-1BB 항체의 효과가 강력하게 나타나는 이유를 설명할 수 있었다. 그러나 여전히 agonistic anti-4-1BB 항체가 생체내에서 CD8+ T 세포의 증식 및 분화를 지속적으로 강화하는 이유는 여전히 명확하지 않았다. 최근 'Warburg effect'라고 알려진 빠르게 증식하는 세포들이 호기성조건에서도 대량의 glucose를 흡수하여 젖산 (lactic acid)를 분비하는 현상에 대한 새로운 연구결과들이 발표되었다. 빠르게 증식하는 세포들이 분비하는 젖산은 그 동안 단순 부산물로 알려져 왔지만, 최근 연구들에서는 젖산이 빠르게 증식하는 세포들이 필요로하는 에너지원이라고 주장하였다. 기존연구를 통해 이미 agonistic anti-4-1BB 항체는 CD8+ T 세포의 glucose & fatty acid metabolism을 강화하며, 젖산의 대량분비를 촉진함으로 보고하였다. 따라서 최근 연구결과를 반영하면, 4-1BB 신호전달에 의한 증가된 젖산이 CD8+ T 세포의 증식을 지속화 하는데 중요한 역할을 담당할 것으로 예상되었다. 이 가설을 증명하기 위해, agonistic anti-4-1BB 항체와 젖산을 MC38 종양을 투여한 마우스에 병용 투여하였다. 생쥐 암모델에서 적정 농도의 젖산 투여는 agonistic anti-4-1BB 항체의 항암효과를 더욱 증진시키는 것으로 확인되었다. 또한 이러한 병용투여에 의한 항암효과는 면역세포의 침윤비율이 높은 “hot tumor”에서만 나타났으며, 면역세포의 침윤이 적은 “cold tumor”에서는 나타나지 않았다. 따라서 생체내 활성화된 CD8+ T 세포들은 agonistic anti-4-1BB 항체 투여에 의해 증식이 촉진되며, 이 과정에서 증가한 젖산은 CD8+ T 세포의 증식을 다시 보조함으로써 agonistic anti-4-1BB 항체의 효과를 지속시키는 것으로 판단되었다.