Store-operated Ca2+ Entry Mediated by Orai1 and TRPC1 Participates to Insulin Secretion in Rat β-Cells.

Store-operated Ca(2+) channels (SOCs) are voltage-independent Ca(2+) channels activated upon depletion of the endoplasmic reticulum Ca(2+) stores. Early studies suggest the contribution of such channels to Ca(2+) homeostasis in insulin-secreting pancreatic β-cells. However, their composition and contribution to glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) remains unclear. In this study, endoplasmic reticulum Ca(2+) depletion triggered by acetylcholine (ACh) or thapsigargin stimulated the formation of a ternary complex composed of Orai1, TRPC1, and STIM1, the key proteins involved in the formation of SOCs. Ca(2+) imaging further revealed that Orai1 and TRPC1 are required to form functional SOCs and that these channels are activated by STIM1 in response to thapsigargin or ACh. Pharmacological SOCs inhibition or dominant negative blockade of Orai1 or TRPC1 using the specific pore mutants Orai1-E106D and TRPC1-F562A impaired GSIS in rat β-cells and fully blocked the potentiating effect of ACh on secretion. In contrast, pharmacological or dominant negative blockade of TRPC3 had no effect on extracellular Ca(2+) entry and GSIS. Finally, we observed that prolonged exposure to supraphysiological glucose concentration impaired SOCs function without altering the expression levels of STIM1, Orai1, and TRPC1. We conclude that Orai1 and TRPC1, which form SOCs regulated by STIM1, play a key role in the effect of ACh on GSIS, a process that may be impaired in type 2 diabetes.

Characterization of local and systemic immune-modulation in melanoma patients

Le mélanome cutané est un des cancers les plus agressifs et dont l'incidence augmente le plus en Suisse. Une fois métastatique, le pronostic de survie moyenne avec les thérapies actuelles est d'environ huit mois, avec moins de 5% de survie à cinq ans. Les récents progrès effectués dans la compréhension de la biologie de la cellule tumorale mais surtout dans l'importance du système immunitaire dans le contrôle de ce cancer ont permis le développement de nouveaux traitements novateurs et prometteurs. Ces thérapies, appelées immunothérapies, reposent sur la stimulation et l'augmentation de la réponse immunitaire à la tumeur. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré l'efficacité de ces traitements chez les patients avec des stades avancés de la maladie, le contrôle de la maladie à long- terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression locale et systémique de la réponse immunitaire spécifique anti-tumorale apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Des études sur les souris ont montré que les vaisseaux lymphatiques joueraient un rôle primordial dans ce processus en induisant une tolérance immune, ce qui permettrait à la tumeur d'échapper au contrôle du système immunitaire et métastatiser plus facilement. Ces excitantes découvertes n'ont pas encore été établi et prouvé chez l'homme. Dans cette thèse, nous montrons pour la première fois que les vaisseaux lymphatiques sont directement impliqués dans la modulation de la réponse immunitaire au niveau local et systémique dans le mélanome chez l'homme. Ces récentes découvertes montrent le potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec les immunothérapies actuellement utilisées afin d'améliorer le pronostic des patients atteint du mélanome. -- Cutaneous melanoma is one of the most invasive and metastatic human cancers and causes 75% of skin cancer mortality. Current therapies such as surgery and chemotherapy fail to control metastatic disease, and relapse occurs frequently due to microscopic residual lesions. It is, thus, essential to develop and optimize novel therapeutic strategies to improve curative responses in these patients. In recent decades, tumor immunologists have revealed the development of spontaneous adaptive immune responses in melanoma patients, leading to the accumulation of highly differentiated tumor-specific T cells at the tumor site. This remains one of the most powerful prognostic markers to date. Immunotherapies that augment the natural function of these tumor-specific T cells have since emerged as highly attractive therapeutic approaches to eliminate melanoma cells. While recent clinical trials have demonstrated great progress in the treatment of advanced stage melanoma, long-term disease control is still only achieved in a minority of patients. Local and systemic immune suppression by the tumor appears to be responsible, in part, for this poor clinical evolution. These facts underscore the need for a better analysis and characterization of immune- related pathways within the tumor microenvironment (TME), as well as at the systemic level. The overall goal of this thesis is, thus, to obtain greater insight into the complexity and heterogeneity of the TME in human melanoma, as well as to investigate immune modulation beyond the TME, which ultimately influences the immune system throughout the whole body. To achieve this, we established two main objectives: to precisely characterize local and systemic immune modulation (i) in untreated melanoma patients and (ii) in patients undergoing peptide vaccination or checkpoint blockade therapy with anti-cytotoxic T- lymphocyte-asisctaed protein-4 (CTLA-4) antibody. In the first and main part of this thesis, we analyzed lymphatic vessels in relation to anti-tumor immune responses in tissues from vaccinated patients using a combination of immunohistochemistry (IHC) techniques, whole slide scanning/analysis, and an automatic quantification system. Strikingly, we found that increased lymphatic vessel density was associated with high expression of immune suppressive molecules, low functionality of tumor-infiltrating CD8+ T cells and decreased cytokine production by tumor-antigen specific CD8+ T cells in the blood. These data revealed a previously unappreciated local and systemic role of lymphangiogenesis in modulating T cell responses in human cancer and support the use of therapies that target lymphatic vessels combined with existing and future T cell based therapies. In the second objective, we describe a metastatic melanoma patient who developed pulmonary sarcoid-like granulomatosis following repetitive vaccination with peptides and CpG. We demonstrated that the onset of this pulmonary autoimmune adverse event was related to the development of a strong and long-lasting tumor-specific CD8+ T cell response. This constitutes the first demonstration that a new generation tumor vaccine can induce the development of autoimmune adverse events. In the third objective, we assessed the use of Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify melanoma cells and lymphocyte subpopulations in lymph node (LN) metastasis tissues, thanks to a fruitful collaboration with researchers in Brussels. We demonstrated that the different cell types in metastatic LNs have different infrared spectral features allowing automated identification of these cells. This technic is therefore capable of distinguishing known and novel biological features in human tissues and has, therefore, significant potential as a tool for histopathological diagnosis and biomarker assessment. Finally, in the fourth objective, we investigated the role of colony- stimulating factor-1 (CSF-1) in modulating the anti-tumor response in ipilimumab-treated patients using IHC and in vitro co-cultures, revealing that melanoma cells produce CSF-1 via CTL-derived cytokines when attacked by cytotoxic T lymphocytes (CTLs), resulting in the recruitment of immunosuppressive monocytes. These findings support the combined use of CSF-1R blockade with T cell based immunotherapy for melanoma patients. Taken together, our results reveal the existence of novel mechanisms of immune modulation and thus promote the optimization of combination immunotherapies against melanoma. -- Le mélanome cutané est un des cancers humains les plus invasifs et métastatiques et est responsable de 75% de la mortalité liée aux cancers de la peau. Les thérapies comme la chirurgie et la chimiothérapie ont échoué à contrôler le mélanome métastatique, par ailleurs les rechutes sous ces traitements ont été montrées fréquentes. Il est donc essentiel de développer et d'optimiser de nouvelles stratégies thérapeutiques pour améliorer les réponses thérapeutiques de ces patients. Durant les dernières décennies, les immunologistes spécialisés dans les tumeurs ont démontré qu'un patient atteint du mélanome pouvait développer spontanément une réponse immune adaptative à sa tumeur et que l'accumulation de cellules T spécifiques tumorales au sein même de la tumeur était un des plus puissants facteurs pronostiques. Les immunothérapies qui ont pour but d'augmenter les fonctions naturelles de ces cellules T spécifiques tumorales ont donc émergé comme des approches thérapeutiques très attractives pour éliminer les cellules du mélanome. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré un progrès important dans le traitement des formes avancées du mélanome, le contrôle de la maladie à long-terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression immune locale et systémique apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Ces considérations soulignent la nécessité de mieux analyser et caractériser les voies immunitaires non seulement au niveau local dans le microenvironement tumoral mais aussi au niveau systémique dans le sang des patients. Le but de cette thèse est d'obtenir une plus grande connaissance de la complexité et de l'hétérogénéité du microenvironement tumoral dans les mélanomes mais aussi d'investiguer la modulation immunitaire au delà du microenvironement tumoral au niveau systémique. Afin d'atteindre ce but, nous avons établi deux objectifs principaux : caractériser précisément la modulation locale et systémique du système immunitaire (i) chez les patients atteints du mélanome qui n'ont pas reçu de traitement et (ii) chez les patients qui ont été traités soit par des vaccins soit par des thérapies qui bloquent les points de contrôles. Dans la première et majeure partie de cette thèse, nous avons analysé les vaisseaux lymphatiques en relation avec la réponse immunitaire anti-tumorale dans les tissus des patients vaccinés grâce à des techniques d'immunohistochimie et de quantification informatisé et automatique des marquages. Nous avons trouvé qu'une densité élevée de vaisseaux lymphatiques dans la tumeur était associée à une plus grande expression de molécules immunosuppressives ainsi qu'à une diminution de la fonctionnalité des cellules T spécifiques tumoral dans la tumeur et dans le sang des patients. Ces résultats révèlent un rôle jusqu'à là inconnu des vaisseaux lymphatiques dans la modulation directe du système immunitaire au niveau local et systémique dans les cancers de l'homme. Cette recherche apporte finalement des preuves du potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec des autres immunothérapies déjà utilisées en clinique. Dans le second objectif, nous rapportons le cas d'un patient atteint d'un mélanome avec de multiples métastases qui a développé à la suite de plusieurs vaccinations répétées et consécutives avec des peptides et du CpG, un évènement indésirable sous la forme d'une granulomatose pulmonaire sarcoid-like. Nous avons démontré que l'apparition de cet évènement était intimement liée au développement d'une réponse immunitaire durable et spécifique contre les antigènes de la tumeur. Par là- même, nous prouvons pour la première fois que la nouvelle génération de vaccins est aussi capable d'induire des effets indésirables auto-immuns. Pour le troisième objectif, nous avons voulu savoir si l'utilisation de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) était capable d'identifier les cellules du mélanome ainsi que les différents sous-types cellulaires dans les ganglions métastatiques. Grâce à nos collaborateurs de Bruxelles, nous avons pu établir que les diverses composantes cellulaires des ganglions atteints par des métastases du mélanome présentaient des spectres infrarouges différents et qu'elles pouvaient être identifiées d'une façon automatique. Cette nouvelle technique permettrait donc de distinguer des caractéristiques biologiques connues ou nouvelles dans les tissus humains qui auraient des retombées pratiques importantes dans le diagnostic histopathologique et dans l'évaluation des biomarqueurs. Finalement dans le dernier objectif, nous avons investigué le rôle du facteur de stimulation des colonies (CSF-1) dans la modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale chez les patients qui ont été traités par l'Ipilimumab. Nos expériences in vivo au niveau des tissus tumoraux et nos co-cultures in vitro nous ont permis de démontrer que les cytokines secrétées par les cellules T spécifiques anti-tumorales induisaient la sécrétion de CSF-1 dans les cellules du mélanome ce qui résultait en un recrutement de monocytes immunosuppresseurs. Dans son ensemble, cette thèse révèle donc l'existence de nouveaux mécanismes de modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale et propose de nouvelles optimisations de combinaison d'immunothérapies contre le mélanome.

Personalized approaches to active immunotherapy in cancer

Immunotherapy is emerging as a promising anti-cancer curative modality. However, in contrast to recent advances obtained employing checkpoint blockade agents and T cell therapies, clinical efficacy of therapeutic cancer vaccines is still limited. Most vaccination attempts in the clinic represent "off-the shelf" approaches since they target common "self" tumor antigens, shared among different patients. In contrast, personalized approaches of vaccination are tailor-made for each patient and in spite being laborious, hold great potential. Recent technical advancement enabled the first steps in the clinic of personalized vaccines that target patient-specific mutated neo-antigens. Such vaccines could induce enhanced tumor-specific immune response since neo-antigens are mutation-derived antigens that can be recognized by high affinity T cells, not limited by central tolerance. Alternatively, the use of personalized vaccines based on whole autologous tumor cells, overcome the need for the identification of specific tumor antigens. Whole autologous tumor cells could be administered alone, pulsed on dendritic cells as lysate, DNA, RNA or delivered to dendritic cells in-vivo through encapsulation in nanoparticle vehicles. Such vaccines may provide a source for the full repertoire of the patient-specific tumor antigens, including its private neo-antigens. Furthermore, combining next-generation personalized vaccination with other immunotherapy modalities might be the key for achieving significant therapeutic outcome.

From T cell “exhaustion” to anti-cancer immunity

The immune system has the potential to protect from malignant diseases for extended periods of time. Unfortunately, spontaneous immune responses are often inefficient. Significant effort is required to develop reliable, broadly applicable immunotherapies for cancer patients. A major innovation was transplantation with hematopoietic stem cells from genetically distinct donors for patients with hematologic malignancies. In this setting, donor T cells induce long-term remission by keeping cancer cells in check through powerful allogeneic graft-versus-leukemia effects. More recently, a long awaited breakthrough for patients with solid tissue cancers was achieved, by means of therapeutic blockade of T cell inhibitory receptors. In untreated cancer patients, T cells are dysfunctional and remain in a state of T cell "exhaustion". Nonetheless, they often retain a high potential for successful defense against cancer, indicating that many T cells are not entirely and irreversibly exhausted but can be mobilized to become highly functional. Novel antibody therapies that block inhibitory receptors can lead to strong activation of anti-tumor T cells, mediating clinically significant anti-cancer immunity for many years. Here we review these new treatments and the current knowledge on tumor antigen-specific T cells.

Immunotherapeutic targeting of LIGHT/LTβR/HVEM pathway fully recapitulates the reduced cytotoxic phenotype of LIGHT-deficient T cells.

Tumor necrosis factor (TNF)/TNF receptor (TNFR) superfamily members play essential roles in the development of the different phases of the immune response. Mouse LIGHT (TNFSF14) is a type II transmembrane protein with a C-terminus extracellular TNF homology domain (THD) that assembles in homotrimers and regulates the course of the immune responses by signaling through 2 receptors, the herpes virus entry mediator (HVEM, TNFSFR14) and the lymphotoxin β receptor (LTβR, TNFSFR3). LIGHT is a membrane-bound protein transiently expressed on activated T cells, natural killer (NK) cells and immature dendritic cells that can be proteolytically cleaved by a metalloprotease and released to the extracellular milieu. The immunotherapeutic potential of LIGHT blockade was evaluated in vivo. Administration of an antagonist of LIGHT interaction with its receptors attenuated the course of graft-versus-host reaction and recapitulated the reduced cytotoxic activity of LIGHT-deficient T cells adoptively transferred into non-irradiated semiallogeneic recipients. The lack of LIGHT expression on donor T cells or blockade of LIGHT interaction with its receptors slowed down the rate of T cell proliferation and decreased the frequency of precursor alloreactive T cells, retarding T cell differentiation toward effector T cells. The blockade of LIGHT/LTβR/HVEM pathway was associated with delayed downregulation of interleukin-7Rα and delayed upregulation of inducible costimulatory molecule expression on donor alloreactive CD8 T cells that are typical features of impaired T cell differentiation. These results expose the relevance of LIGHT/LTβR/HVEM interaction for the potential therapeutic control of the allogeneic immune responses mediated by alloreactive CD8 T cells that can contribute to prolong allograft survival.