Defining the critical hurdles in cancer immunotherapy.

Scientific discoveries that provide strong evidence of antitumor effects in preclinical models often encounter significant delays before being tested in patients with cancer. While some of these delays have a scientific basis, others do not. We need to do better. Innovative strategies need to move into early stage clinical trials as quickly as it is safe, and if successful, these therapies should efficiently obtain regulatory approval and widespread clinical application. In late 2009 and 2010 the Society for Immunotherapy of Cancer (SITC), convened an "Immunotherapy Summit" with representatives from immunotherapy organizations representing Europe, Japan, China and North America to discuss collaborations to improve development and delivery of cancer immunotherapy. One of the concepts raised by SITC and defined as critical by all parties was the need to identify hurdles that impede effective translation of cancer immunotherapy. With consensus on these hurdles, international working groups could be developed to make recommendations vetted by the participating organizations. These recommendations could then be considered by regulatory bodies, governmental and private funding agencies, pharmaceutical companies and academic institutions to facilitate changes necessary to accelerate clinical translation of novel immune-based cancer therapies. The critical hurdles identified by representatives of the collaborating organizations, now organized as the World Immunotherapy Council, are presented and discussed in this report. Some of the identified hurdles impede all investigators; others hinder investigators only in certain regions or institutions or are more relevant to specific types of immunotherapy or first-in-humans studies. Each of these hurdles can significantly delay clinical translation of promising advances in immunotherapy yet if overcome, have the potential to improve outcomes of patients with cancer.

Development and evaluation of antibody-MHC/peptide conjugates as a new form of cancer immunotherapy

Summary One of the major goals of cancer immunotherapy is the induction of a specific and effective antitumor cytotoxic T lymphocyte (CTL) response. However, the downregulation of Class I Major Histocompatibility Complexes (MHC) expression and the low level of tumor peptide presentation on tumor cell surface, ás well as the low immunogenicity of tumor specific antigens, limit the effectiveness of anti-tumor CTL responses. On the other hand, monoclonal antibodies, which bind with high affinity to tumor cell surface markers, are powerful tumor targeting tools. However, their capacity to .kill cancer cells is limited and mAb cancer treatments usually require the addition of different form of chemotherapy. The new cancer immunotherapy strategy described herein combines the advantage of the high tumor targeting capacity of monoclonal antibodies (mAb) with the powerful cytotoxicity of CD8 T lymphocytes directed against highly antigenic peptide-MHC complexes. Monoclonal antibody Fab fragments directed against a cell surface tumor associated antigen (TAA) are chemically coupled to soluble MHC class I complexes carrying a highly antigenic peptide. Antibody guided targeting and oligomerization of numerous antigenic class IMHC/peptide complexes on tumor cell surfaces can redirect the cytotoxicity of peptide-specific CD8 T cells towards target cancer cells. After the description of the production of murine anti-tumor xMHC/peptide conjugates in the first part of this thesis, the therapeutic potential of such conjugates were sequentially investigated in different syngeneic tumor mouse models. As a first proof of principle, transgenic OT-1 mice and later CEA transgenic C57BL/6 (B6) mice, adoptively transferred with OT-1 spleen cells and immunized with ovalbumin, were used as a model of high frequency of ova peptide specific T cells. In these mice, growth inhibition and regression of palpable colon carcinoma expressing CEA, were obtained by systemic injection of anti-CEA Fab/H-2Kb/ova peptide conjugates. Next, LCMV virus and influenza virus infection of B6 mice were used as viral models to redirect natural antiviral CTL responses to tumors via conjugates loaded with viral peptides. We showed that in mice infected with the LCMV virus, subcutaneous CEA-expressing tumor cells were inhibited by the H2Db/GP33 restricted anti-viral CTL response when preincubated before grafting with anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 peptide conjugates. In mice infected with the influenza virus, lung metastases expressing the HER2 antigen were inhibited by the H-2Db/NP366 restricted CTLs response when preincubated before injection with anti-Her2 Fab-H-2Db/NP366 peptide conjugates. In the last chapter, the stability of the peptide in the anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 conjugates was improved by the covalent photocross-link of the GP33 peptide in the H-2Db MHC groove. Thus, LCMV immune mice could reject CEA expressing tumors when treated with systemic injections of anti-CEA FabH-2Db/GP33 cross-linked conjugates. These results are encouraging for the potential application of this strategy in clinic. Such conjugates could be used alone in patients boosted by the relevant virus, or used in combination with existing T cell based ìmmunotherapy. Résumé Une des principales approches utilisées dans l'immunothérapie contre le cancer consiste en l'induction d'une réponse T cytotoxique (CTL) spécifiquement dirigée contre la tumeur. Cependant, le faible niveau d'expression des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe I (CMH I) et de présentation des peptides tumoraux à la surface des cellules cancéreuses ainsi que la faible immunogenicité des antigens tumoraux, limitent l'efficacité de la réponse CTL. D'autre part,. l'injection d'anticorps monoclonaux (mAb), se liant avec une haute affinité aux marqueurs de surface des cellules tumorales, a fourni des résultats cliniques encourageant. Cependant l'efficacité de ces mAbs contre des tumeur solides reste limitée et necessite souvent l'addition de chimiotherapie. La nouvelle stratégie thérapeutique décrite dans ce travail associe le fort pouvoir de localisation des anticorps monoclonaux et le fort pouvoir cytotoxique des lymphocytes T CD8+. Des fragments Fab d'anticorps monoclonaux, dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, ont été chimiquement couplés à des CMH I solubles, portant un peptide fortement antigénique. Le ciblage et l'oligomérisation à la surface des cellules tumorales de nombreux CMH I présentant un peptide antigénique, va réorienter la cytotoxicité des cellules T CD8+ spécifiques du peptide présenté, vers les cellules tumorales cibles. Après une description de la production de conjugé anti-tumeur x CMH Upeptide dans la première partie de cette thèse, le potentiel thérapeutique de tels conjugés a été successivement étudiés in vivo dans différents modèles de tumeur syngénéiques. Tout d'abord, des souris OT-1 transgéniques, puis des souris C57BL/6 (B6) transférées avec des cellules de rate OT-1 puis immunisées avec l'ovalbumine, ont été employées comme modèle de haute fréquence de cellules T CD8+ spécifiques du peptide ova. Chez ces souris, l'inhibition de la croissance et la régression de nodules palpables de carcinomes exprimant l'antigène caccino embryonaire (ACE), ont été obtenues par l'injection systémique de conjugés anti-ACE Fab/H-2Kb/ova. Par la suite, l'infection de souris B6 par le virus LCMV et par le virus de la grippe, ont été utilisés comme modèles viraux pour redirigées des réponses anti-virales naturelles vers les tumeurs, en utilisant des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré que .chez les souris infectées par le LCMV, la croissance de carcinome sous-cutané est empêchée par la réponse anti-virale, spécifique du complexe H2Db/GP33, lorsque les cellules tumorales greffées sont pré-incubées avec des conjugés anti-CEA Fab-H-2Db/GP33. Dans le cas de souris infectées par le virus de la grippe, la métastatisation de mélanomes pulmonaires exprimant l'antigène HER-2 est inhibée par la réponse anti-virale spécifique du complexe H-2Db/NP366, après pré-incubation des cellules tumorales avec des conjugés anti-Her2 FabxH-2Db/NP366. Dans le dernier chapitre, la liaison covalente du peptide GP33 dans le complexe H-2Db a amélioré la stabilité des conjugés correspondants et a permis le traitement systémique de souris greffées avec des tumeurs exprimant l'ACE et infectées par le LCMV. L'ensemble de ces résultats sont encourageant pour l'application de cette strategie en clinique. De tels conjugués pourraient être employés seuls ou en combinaison avec des protocols d'immunisation peptidique anti-tumoral. Résumé pour un large public Dans les pays industrialisés, le cancer se situe au deuxième rang des causes de mortalité après les maladies cardiovasculaires. Les principaux traitement de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches mises en oeuvre pour la lutte contre le cancer. Elle peut être humorale, et s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la proliferation des cellules tumorales exprimant l'antigène. Certains sont utilisés en clinique pour le traitement de lymphomes, de carcinomes de l'ovaire et du sein ou encore de carcinomes metastatiques du côlon. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements exigent souvent d'être combiner avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et reposer sur une démarche de type vaccinal, consistant à générer des lymphocytes T cytotoxiques (cytotoxic T lymphocytes :CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Or les cellules tumorales ne presentent pas efficacement les peptides antigèniques, car elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des antigènes d'histocompatibilité de classe I, des molécules d'adhésion et des cytokines costimulatrices, et par une faible expression des antigènes associés aux tumeurs. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL specifiquement dirigés contre des antigens tumoraux, les régressions tumorales obtenus grace à ces vaccinations sont relativement rares. Alors que chez les personnes atteintes du cancer on observe l'instauration d'une tolérance immunitaire vis-à-vis de la tumeur, à l'inverse, notre systeme immunitaire reste parfaitement capable de combattre des infection virales classiques, tels que la grippe, qui font aussi appel à une réponse T cytotoxique. Notre groupe de recherche a donc eu l'idee de développer une nouvelle approche thérapeutique où une réponse immunitaire anti-virale très efficace serait redirigée vers les tumeurs par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons chimiquement couplés des fragments d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, à des CMH I portant un peptide viral antigénique. Les cellules tumorales, ciblées par le fragment anticorps et couvertes d' antigènes viraux présentés par des molécules de CMH I, peuvent ainsi tromper les lymphocytes cytotoxiques anti-viraux qui vont détruire les cellules tumorales comme si elles étaient infectées par le virus. Suite à des résultats prometteurs obtenus in vitro avec différents conjugués anticorps-CMH humain de type HLA.A2/peptide Flu, le but du projet était de tester in vivo des conjugués anticorps-CMH I murins sur des modèles expérimentaux de souris. Tout d'abord, des souris transgéniques pour un recepteur T specifique du peptide ova, puis des transferts adoptifs de ces cellules T specifiques dans des souris immunocompétentes, ont été choisi comme modèle de haute fréquence des cellules T spécifiques, et ont permi de valider le principe de la strategie in vivo. Puis, deux modèles viraux ont été elaboré avec le virus LCMV et le virus Influenza, pour réorienter des réponses antivirales naturelles vers les tumeurs grâce à des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré la grande capacité de nos conjugués à rediriger des réponses cytotoxiques vers les tumeurs et inhiber la croissance de tumeurs syngénéiques sous cutanés et pulmonaires. Ces résultats d'inhibition tumorales obtenus dans des souris immunocompétentes, grâce à l'injection de conjugués anticorps xCMH/peptide et réorientant deux réponses antivirales différentes vers deux modèles tumoraux syngeneiques, sont encourageant pour l'application de cette nouvelle stratégie en clinique.

Molecularly defined vaccines for cancer immunotherapy, and protective T cell immunity.

Malignant cells are frequently recognized and destroyed by T cells, hence the development of T cell vaccines against established tumors. The challenge is to induce protective type 1 immune responses, with efficient Th1 and CTL activation, and long-term immunological memory. These goals are similar as in many infectious diseases, where successful immune protection is ideally induced with live vaccines. However, large-scale development of live vaccines is prevented by their very limited availability and vector immunogenicity. Synthetic vaccines have multiple advantages. Each of their components (antigens, adjuvants, delivery systems) contributes specifically to induction and maintenance of T cell responses. Here we summarize current experience with vaccines based on proteins and peptide antigens, and discuss approaches for the molecular characterization of clonotypic T cell responses. With carefully designed step-by-step modifications of innovative vaccine formulations, T cell vaccination can be optimized towards the goal of inducing therapeutic immune responses in humans.

Cancer immunotherapy drives implementation science in oncology.

Cancer immunotherapy has come a long way. The hope that immunological approaches may help cancer patients has sparked many initiatives in research and development (R&D). For many years, progress was modest and disappointments were frequent. Today, the increasing scientific and medical knowledge has established a solid basis for improvements. Considerable clinical success was first achieved for patients with hematological cancers. More recently, immunotherapy has entered center stage in the development of novel therapies against solid cancers. Together with R&D in angiogenesis, the field of immunology has fundamentally extended the scientific scope, which has evolved from a cancer-cell-centered view to a comprehensive and integrated vision of tumor biology. Current R&D is focused on a large array of possible disease mechanisms, driven by cancer cells, and amplified by tumor stroma, inflammatory and immunological actors, blood and lymph vessels, and the "macroenvironment," i.e. systemic mechanisms of the host, particularly of the haematopoietic system. Contrasting to this large spectrum of pathophysiological events promoting tumor growth, only a small number of biological mechanisms, namely of the immune system, have the potential to counteract tumor growth. They are of prime interest because therapeutic enhancement may result in clinical benefit for patients. This special issue is dedicated to immunotherapeutics against cancer, with particular emphasis on vaccination and combination therapies, providing updates and extended insight in this booming field.

Nouveautés dans l'immunothérapie du cancer [New developments in cancer immunotherapy]

Les progrès récents dans l'élucidation des bases cellulaires et moléculaires de la réponse immunitaire permettent désormais le design de thérapies novatrices pour l'immunothérapie des tumeurs. Ces approches récentes se traduisent en des taux de réponse qui surpassent souvent ce qui peut être obtenu par des chimiothérapies conventionnelles ou des thérapies ciblées. Nous présentons ici les principaux développements en cours avec un accent sur l'expérience lausannoise dans le traitement du mélanome. Premièrement, les nouveaux développements dans la vaccination peptidique sont présentés. Deuxièmement, les approches de type transfert adoptif sont illustrées avec une attention particulière pour le conditionnement du patient par lymphodéplétion. Finalement, le projet lausannois d'optimisation rationnelle du récepteur TCR des lymphocytes est décrit. Recent progress unveiling the cellular and molecular basis of the immune response allows nowadays the design of novel therapies for tumor immunotherapy. These recent approaches translate into response rates that often surpass what can be obtained by conventional chemotherapies or targeted therapies. Here we present the main current developments with an accent on the Lausanne experience in the treatment of melanoma. First, the new developments of peptide-based vaccination are presented. Second, approaches related to adoptive transfer are illustrated with a particular attention for the patient conditioning using lymphodepletion. Finally, the Lausanne project of rational lymphocyte TCR optimization is described.

T-cell and NK-cell infiltration into solid tumors: a key limiting factor for efficacious cancer immunotherapy.

Cancer immunotherapy has great promise, but is limited by diverse mechanisms used by tumors to prevent sustained antitumor immune responses. Tumors disrupt antigen presentation, T/NK-cell activation, and T/NK-cell homing through soluble and cell-surface mediators, the vasculature, and immunosuppressive cells such as myeloid-derived suppressor cells and regulatory T cells. However, many molecular mechanisms preventing the efficacy of antitumor immunity have been identified and can be disrupted by combination immunotherapy. Here, we examine immunosuppressive mechanisms exploited by tumors and provide insights into the therapies under development to overcome them, focusing on lymphocyte traffic.

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

Conference scene: Immune signatures in the tumor and beyond.

Led by key opinion leaders in the field, the Cancer Immunotherapy Consortium of the Cancer Research Institute 2012 Scientific Colloquium included 179 participants who exchanged cutting-edge information on basic, clinical and translational cancer immunology and immunotherapy. The meeting revealed how rapidly this field is advancing. The keynote talk was given by Wolf H Fridman and it described the microenvironment of primary and metastatic human tumors. Participants interacted through oral presentations and panel discussions on topics that included host reactions in tumors, advances in imaging, monitoring therapeutic immune modulation, the benefit and risk of immunotherapy, and immune monitoring activities. In summary, the annual meeting gathered clinicians and scientists from academia, industry and regulatory agencies from around the globe to interact and exchange important scientific advances related to tumor immunobiology and cancer immunotherapy.

Human CD8(+) T cells engineered with supraphysiological TCRs are functionally inhibited via PD-1 and SHP-1 phosphatase

Purpose/Objective: Protective CD8+ T cell responses rely on TCRdependent recognition of immunogenic peptides presented by MHC I. Cytolytic T lymphocytes directed against self/tumor antigens express TCRs of lower affinity/avidity than pathogen-derived T lymphocytes and elicit less protective immune responses due to mechanisms of central and peripheral tolerance. Anti-tumor T cell reactivity can be improved by increasing the TCR-pMHC affinity within physiological limits, while intriguingly further increase in the supraphysiological range (KD < 1 lM) leads to drastic functional declines. We aim at identifying the molecular mechanisms underlying the loss of T cell responsiveness associated with supraphysiological TCRpMHC affinities in order to improve effectiveness of TCR-engineered T cells used in adoptive cell transfer (ACT) cancer immunotherapy. Materials and methods: Using a panel of human CD8+ T cells engineered with TCRs of incremental affinity for the HLA-A2-resticted tumor cancer testis antigen NY-ESO-1, we performed comparative gene expression microarray and TCR-mediated signaling analysis together with membrane receptors level analysis. Results: As compared to cells expressing TCR affinities generating optimal function (KD from 5to 1 lM), those with supraphysiological affinity (KD from 1 lM to 15 nM) had an overall reduced expression of genes implied in signaling, cell activation and proliferation, and showed impaired proximal and distal TCR signaling capacity. This correlated with a decline in surface expression of CD8b, CD28 and activatory TNFR superfamily members. Importantly, expression of inhibitory receptor PD-1 and SHP-1 phosphatase was upregulated in a TCR affinity-dependent manner. Consequently, PD-L1 and SHP-1 blockade restored the function of T cells with high TCRs affinity. Moreover, SHP-1 inhibition also augmented functional efficacy of T cells with TCRs of optimal affinity. Conclusions: Our findings indicate that TCR affinity-associated regulatory mechanisms control T cells responsiveness at various levels to limit potential auto-reactive cytotoxic effects. They also support the development of ACT therapies combined with blockade of inhibitory molecules such as SHP-1 to enhance effectiveness of T cell immunotherapy.

Sustained activation and tumor targeting of NKT cells using a CD1d-anti-HER2-scFv fusion protein induce antitumor effects in mice

Invariant NKT (iNKT) cells are potent activators of DCs, NK cells, and T cells, and their antitumor activity has been well demonstrated. A single injection of the high-affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (alphaGalCer) leads to short-lived iNKT cell activation followed, however, by long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrated here that when alphaGalCer was loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (alphaGalCer/sCD1d), repeated injections led to sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-gamma secretion as well as DC maturation in mice. Most importantly, when alphaGalCer/sCD1d was fused to a HER2-specific scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established s.c. tumors was obtained when systemic treatment was started 2-7 days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells. In contrast, administration of free alphaGalCer at this time had no effect. The antitumor activity of the CD1d-anti-HER2 fusion protein was associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK, and T cells at the tumor site. Targeting iNKT cells to the tumor site thus may activate a combined innate and adaptive immune response that may prove to be effective in cancer immunotherapy

Enhancing efficacy of anticancer vaccines by targeted delivery to tumor-draining lymph nodes.

The sentinel or tumor-draining lymph node (tdLN) serves as a metastatic niche for many solid tumors and is altered via tumor-derived factors that support tumor progression and metastasis. tdLNs are often removed surgically, and therapeutic vaccines against tumor antigens are typically administered systemically or in non-tumor-associated sites. Although the tdLN is immune-suppressed, it is also antigen experienced through drainage of tumor-associated antigens (TAA), so we asked whether therapeutic vaccines targeting the tdLN would be more or less effective than those targeting the non-tdLN. Using LN-targeting nanoparticle (NP)-conjugate vaccines consisting of TAA-NP and CpG-NP, we compared delivery to the tdLN versus non-tdLN in two different cancer models, E.G7-OVA lymphoma (expressing the nonendogenous TAA ovalbumin) and B16-F10 melanoma. Surprisingly, despite the immune-suppressed state of the tdLN, tdLN-targeting vaccination induced substantially stronger cytotoxic CD8+ T-cell responses, both locally and systemically, than non-tdLN-targeting vaccination, leading to enhanced tumor regression and host survival. This improved tumor regression correlated with a shift in the tumor-infiltrating leukocyte repertoire toward a less suppressive and more immunogenic balance. Nanoparticle coupling of adjuvant and antigen was required for effective tdLN targeting, as nanoparticle coupling dramatically increased the delivery of antigen and adjuvant to LN-resident antigen-presenting cells, thereby increasing therapeutic efficacy. This work highlights the tdLN as a target for cancer immunotherapy and shows how its antigen-experienced but immune-suppressed state can be reprogrammed with a targeted vaccine yielding antitumor immunity.

Lack of tumor recognition by hTERT peptide 540-548-specific CD8(+) T cells from melanoma patients reveals inefficient antigen processing.

Telomerase is a ribonucleoprotein complex responsible for the maintenance of the length of the telomeres during cell division, which is active in germ-line cells as well as in the vast majority of tumors but not in most normal tissues. The wide expression of the human telomerase catalytic subunit (hTERT) in tumors makes it an interesting candidate vaccine for cancer. hTERT-derived peptide 540-548 (hTERT(540)) has been recently shown to be recognized in an HLA-A*0201-restricted fashion by T cell lines derived from peptide-stimulated peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from healthy donors. As a first step to the inclusion of this peptide in immunotherapy clinical trials, it is crucial to assess hTERT(540)-specific T cell reactivity in cancer patients as well as the ability of hTERT-specific CD8(+) T lymphocytes to recognize and lyse hTERT-expressing target cells. Here, we have analyzed the CD8(+) T cell response to peptide hTERT(540) in HLA-A*0201 melanoma patients by using fluorescent HLA-A*0201/hTERT(540) peptide tetramers. HLA-A*0201/hTERT(540) tetramer(+) CD8(+) T cells were readily detected in peptide-stimulated PBMC from a significant proportion of patients and could be isolated by tetramer-guided cell sorting. hTERT(540)-specific CD8(+) T cells were able to specifically recognize HLA-A*0201 cells either pulsed with peptide or transiently transfected with a minigene encoding the minimal epitope. In contrast, they failed to recognize hTERT-expressing HLA-A*0201(+) target cells. Furthermore, in vitro proteasome digestion studies revealed inadequate hTERT processing. Altogether, these results raise questions on the use of hTERT(540) peptide for cancer immunotherapy.

Immunogenicity of the carcinoembryonic antigen derived peptide 694 in HLA-A2 healthy donors and colorectal carcinoma patients.

Carcinoembryonic antigen (CEACAM5) is commonly overexpressed in human colon cancer. Several antigenic peptides recognized by cytolytic CD8+ T-cells have been identified and used in colon cancer phase-I vaccination clinical trials. The HLA-A*0201-binding CEA(694-702) peptide was recently isolated from acid eluted MHC-I associated peptides from a human colon tumor cell line. However, the immunogenicity of this peptide in humans remains unknown. We found that the peptide CEA(694-702) binds weakly to HLA-A*0201 molecules and is ineffective at inducing specific CD8+ T-cell responses in healthy donors. Immunogenic-altered peptide ligands with increased affinity for HLA-A*0201 were identified. Importantly, the elicited cytolytic T lymphocyte (CTL) lines and clones cross-reacted with the wild-type CEA(694-702) peptide. Tumor cells expressing CEA were recognized in a peptide and HLA-A*0201 restricted fashion, but high-CEA expression levels appear to be required for CTL recognition. Finally, CEA-specific T-cell precursors could be readily expanded by in vitro stimulation of peripheral blood mononuclear cell (PBMC) from colon cancer patients with altered CEA peptide. However, the CEA-specific CD8+ T-cell clones derived from cancer patients revealed low-functional avidity and impaired tumor-cell recognition. Together, using T-cells to demonstrate the processing and presentation of the peptide CEA694-702, we were able to corroborate its presentation by tumor cells. However, the low avidity of the specific CTLs generated from cancer patients as well as the high-antigen expression levels required for CTL recognition pose serious concerns for the use of CEA694-702 in cancer immunotherapy.

MHC class I-related chain A conjugated to antitumor antibodies can sensitize tumor cells to specific lysis by natural killer cells.

PURPOSE: As a first step for the development of a new cancer immunotherapy strategy, we evaluated whether antibody-mediated coating by MHC class I-related chain A (MICA) could sensitize tumor cells to lysis by natural killer (NK) cells. EXPERIMENTAL DESIGN: Recombinant MICA (rMICA) was chemically conjugated to Fab' fragments from monoclonal antibodies specific for tumor-associated antigens, such as carcinoembryonic antigen, HER2, or CD20. RESULTS: Flow cytometry analysis showed an efficient coating of MICA-negative human cancer cell lines with the Fab-rMICA conjugates. This was strictly dependent on the expression of the appropriate tumor-associated antigens in the target cells. Importantly, preincubation of the tumor cells with the appropriate Fab-rMICA conjugate resulted in NK cell-mediated tumor cell lysis. Antibody blocking of the NKG2D receptor in NK cells prevented conjugate-mediated tumor cell lysis. CONCLUSIONS: These results open the way to the development of immunotherapy strategies based on antibody-mediated targeting of MICA.