LA RICERCA BIOMEDICA E LE TERAPIE INNOVATIVE NELLA LOTTA CONTRO IL CANCRO

Maurizio Zanetti, M.D. Professor

University of California, San Diego mzanetti@ucsd.edu

23 Aprile, 2016

Conegliano – Teatro Toniolo

I quattro sintomi cardinali

• Rubor (redness)

• Calor (heat)

• Tumor (swelling)

• Dolor (pain)

Cornelius Celsus, De Medicina. 25 A.D.

Cancro

Nome collettivo per diverse condizioni di malattia caratterizzate da replicazione e crescita

incontrollata di celllule capaci di invadere

altri organi e tessuti

Contributo storico del Veneto alla comprensione del cancro

• 1713 Bernardino Ramazzini (1633–1714), osservo’ che le suore non sviluppavano il tumore dell’ utero ma sviluppavano tumore al seno in alta frequenza.

Contributo storico del Veneto alla comprensione del cancro

• 1842 Domenico Antonio Rigoni-Stern conduce la prima analisi statistica

Maggior mortalita nelle donne. Tumori al seno e utero piu’ frequenti nelle donne. L’incidenza del tumore aumenta con l’eta’. Persone rimaste celibi sviluppano tumori piu’

frequentemente.

Statistiche in breve: l'incidenza dei tumori nel mondo

• Il cancro è tra le principali cause di morte in tutto il mondo. Nel 2012, ci sono stati 14 milioni di nuovi casi e 8,2 milioni di decessi dovuti a cancro in tutto il mondo.

• Il numero di nuovi casi di cancro salirà a 22 milioni entro i prossimi due decenni.

• Oltre il 60 % dei nuovi casi di cancro di tutto il mondo si verificano in Africa, Asia e America centrale e meridionale; Il 70 % dei decessi per cancro nel mondo si verificano anche in queste regioni.

Fonte: WHO 2016

Fattori di rischio per il cancro • Età • Alcool • Sostanze carcinogeniche • Infiammazione cronica • Dieta • Ormoni • Immunosoppressione • Agenti infettivi (virus) • Obesità • Radiazioni • Raggi solari • Tabacco

Genetica - DNA - Genoma

Era biotecnologica

Mendel Genetica & Eredita’

nei piselli

1866 1953 1984 1993 2000

Wilkins, Rosalind Crick, Watson

Struttura chimica del DNA

Venter & Collins Sequenziamento del primo genoma

umano

Mullins PCR

La Struttura Elementare del DNA

BASE AZOTATA

ZUCCHERI

FOSFATI

nucleotide

Ponti idrogeno

L’Elica del DNA

1953

Spaccato di Cellula di Mammifero

Che cosa è un gene?

Replicazione Cellulare e Mutazioni del DNA

• La replicazione del DNA è essenziale alla divisione cellulare. Prima di dividersi la cellula copia esattamente il suo genoma.

• Errori/mutazioni si verificano durante la replicazione del DNA.

• Questi errori sono riparati rapidamente, ma non sempre.

• Mutazioni in geni che controllano la crescita cellulare portano a crescita cellulare noncontrollata e formazione tumorale. Proto-oncogeni -> oncogeni -> proliferazione

cellulare Geni soppressori -> proliferazione cellulare

Come insorge il tumore

• Il cancro è una malattia genetica è che, essa è causata da mutazioni in geni che controllano il modo in cui la nostra funzione di cellule, in particolare il modo in cui crescono e si dividono.

• Mutazioni genetiche cancerogene possono essere ereditarie o spontanee in risposta a cause ambientali: fumo e tabacco, radiazioni ultraviolette, alccol.

• La cellula tumorale acquisisce piu’ mutazioni nel DNA delle cellule normali.

• Le mutazioni non sono statiche. Con la crescita tumorale, all'interno dello stesso tumore, si accumulano ulteriori mutazioni.

Nazneen Rahman Nature 505, 302–308, 2014

Current status High-Throughput Sequencing Facility

The Sequence Explosion Nature, Feb. 2010

Vogelstein B, Kinzler KW. N Engl J Med 2015;373:1895-1898.

Three Strikes to Cancer.

Lo mutazioni del DNA stanno rivoluzionando lo studio dei tumori ma soprattutto il loro trattamento

Come?

Medicina Personalizzata precision medicine

La Precision Medicine è un approccio emergente per la prevenzione e cura delle malattie, tra le quali il tumore, che tiene conto variazione individuale delle persone per quanto riguarda i geni, l'ambiente, e lo stile di vita.

• Adattare farmaci al make-up genetico dell’ individuo.

• I trattamenti sono adattati all'individuo (“medicina personalizzata')

• La scienza deve convalidare!

Nuova Strada Scientifica per una Medicina Migliore

individui con profili genetici unici

Genetic (Marker) Stratification

Class: A B C D E

Class A: Drugs 1-5 Class B: Drugs 1-5 Class C: Drugs 1-5 Class D: Drugs 1-5 Class E: Drugs 1-5

Farmaci

Biankin et al. Nature 526, 361–370, 2015

• Pazienti sono reclutati sulla base delle loro caratteristiche molecolari indipendentemente dall'organo in cui il tumore origine.

• I sottotipi molecolari contribuiscono a guidare le decisioni terapeutiche.

• I sottotipi molecolari possono essere classificati secondo l’ organo di origine (sinistra) o sulla base delle loro caratteristiche molecolari o 'biotipo' (destra).

g g Response

Sequist et al Science Trans Med 2011

Immunoterapia

Anticorpi Vaccinazione Terapie Cellulari

Anticopi usati nel tattamento del tumore al seno e leucemie

Antigeni naturali/ sintetici Vettori virali/batterici Cellule vaccinali

Passiva Attiva

Cellule “killer” che riconoscono il tumore

Forme di Immunita’ anti-tumorale a scopo terapeutico

Cellular therapy has several pathways to the patient.

David M. Barrett et al. J Immunol 2015;195:755-761

Copyright © 2015 by The American Association of Immunologists, Inc.

Cellule costruite in Laboratorio: Praticita’ e Precisione

Leukemias/ Lymphomas

(CD19)

• 70-90% CR (ALL) • ~45 % CR (CLL) • Safety (severe CRS)

• Survival of T cells

Solid Tumors (MUC.1, MUC.16, ROR1, HER-2, Mesothelin,

CEA, PSMA, NY-ESO1) • Disappointing results overall

• Ag Specificity

• Traffic to tumor site

• Resist multifactorial inhibition in the tumor

microenvironment

• Survival

Terapie CAR-T: Successi e Ostacoli

December 2013

TODAY

Genomica Immunoterapia

B

Finn OJ, NEJM 2008

Peptidi tumorali derivati da prodotti genici contenenti le mutazioni sono immunogenici

• Maggior immunogenicita’

• Minor impatto da parte di tolleranza immunologica

Zanetti, J. Immunol. 2015

Linfociti T infiltranti il tumore reagiscono con neoantigeni e terapia cellulare

personalizzata

Rosenberg and Restifo, Science 2015

Cellule T anti-mutazione in un paziente con colangiocarcinoma metastatico

10 miliardi di cellule T anti-mutazione

120 miliardi cellule T anti-mutazione

Tran et al. Science, 2014

Vaccinazione contro antigeni di mutazione (Melanoma)

MHC prediction Algorithms

RNA-Seq

Processing Presentation

RED = pre-existing BLUE= vaccine-induced

La Vaccinazione espande cellule T anti-neaoantigeni in pazienti con melanoma

Immunotherapia Genomica Personalizzata

Risultati ad Aprile, 2016

VACCINAZIONE: Immunogenicita’ in 3/3 pazienti con melanoma,

non ci sono dati clinici. (Carreno et al., Science 2015) Terapia Cellulale Passiva: Risposta clinica in 2/5 (40%) pazienti con tumori del tratto digerente (Tran et al., Science 2014) (Tran et al., Science 2015)

Immunoterapia nell’Era Genomica

Precision Medicine ….to build data that flows between medical clinics to labs that sequence the human genome and gather other data. The goal is to find more targeted personalized approaches to treatments and cures — sometimes called personalized medicine. “This helps us find new cures but also helps us create a genuine health care system as opposed to a disease care system. We want each of us to have sufficient information about our particular quirks so that we can make better life decisions,”

President Barack Obama State of the Union speech, 2015

Anticorpi Vaccination Adoptive Cell Therapy

Passiva Activa

Forme di Immunita’ anti-tumorale a scopo terapeutico

Cento Anni di Progresso: Anticorpi 19

75

Anticorpi monoclonali

1997

19

98

Rituxan

Herceptin

2015

Yervoy

2014

Keytruda

1909

Paul Ehrlich “magic bullet”

Attaccano le cellule tumorali

direttamente Regolano la risposta

immunitaria anti-tumorale Concetto

Tecnologia

Anticorpi terapeutici inhibiscono segnali di crescita cellulare

Anticorpi Vaccination Adoptive Cell Therapy

New antigens Synthetic peptides Engineered cells Engineered viruses (adeno/lenti/oncolytic)

Passive Active

• CAR-T • Recombinant TCR

• Anti-CTLA-4 • Anti-PD-1 • Anti-PD-L1

Anticorpi contro inibitori dei

check-point immunologici

The Checkpoint Inhibitors Revolution

1996 - Antibodies against CTLA-4 erase tumors in mice. Allison et al., Science

2001 - PD-L1 and PD-L2 mRNA expression up-regulated in a variety of tumor cell lines, Sharpe and Freeman, Nat. Immunol.

1987 – CTLA-4 is discovered by Golstein et al., Nature. 1992 – PD-1 is discovered by Honjo et al., EMBO J.

Immune Checkpoints Inhibitors Remove Inhibitory Signals

• Anti-CTLA-4 (Cytotoxic T-Lymphocyte Antigen 4) • Anti-PD1 (Programmed Death 1 receptor) • Anti-PD-L1 (PD1 receptor Ligand)

Anti-CTLA-4 or PD-1/PD-L1 Monotherapies

Cancer type Objective response (%)

Refs.

PD-1/PD-L1 Melanoma 28 31

Topalian et al. Topalian et al.

NEJM (2012) J. Clin. Onc. (2014)

Lung 18 Topalian et al. NEJM (2012)

Renal 27 Topalian et al. NEJM (2012)

Bladder 43 Powles et al. Nature (2014)

Cancer type Objective response (%)

Refs.

CTLA-4 Melanoma 33* Hodi et al. NEJM (2010)

22

Wolchok et al. J. Clin. Onc. (2015)

Anti-CTLA-4 + PD-1/PD-L1 Combination Therapy

Cancer type Objective response (%)

Refs.

Melanoma 65 Wolchok et al. NEJM (2013)

61 Hodi et al. NEJM (2015)

Lung 29

Antonia et al.

Lancet Onc. (2016)

Discontinuation 29/102 28% Serious Adverse Events 37/102 36% Treatment-related Deaths 3/102 2.9%

Efficacia Clinica Dipende dal Numero di Mutazioni nel Tumore

Snyder A et al. N Engl J Med 2014;371:2189-2199

Snyder et al., N Engl J Med 2014

Anti-CTLA-4

Rizvi et al. Science 2015

Anti-PD-1

I limiti concettuali di queste nuove terapie personalizzate

Prevalenza di mutationi somatiche nei tumori umani

(No. of mutations per Mb)

Alexandrov et al. Nature 2013

Evoluzione del tumore

Tronco

I tumori solidi e le leucemie sono una costellazione di clans di cellule dovuti a mutazioni del DNA, ma anche geometria e spazio. Nuovi studi mostrano anche che la diversificazione tumorale avviene anche su base indipendente da mutazioni del DNA: “community effect”

Livelli di diversita’

Fox & Loeb Nature 512, 143–144, 2014

Zanetti, 2016

Il futuro e’ gia’ iniziato

Grazie dell’attenzione