Impact of T cell receptor affinity on the molecular mechanisms modulating CD8 T cell signalling and function against NY-ESO-1 tumour antigen

It is well established that cytotoxic T lymphocytes play a pivotal role in the protection against intracellular pathogens and tumour cells. Such protective immune responses rely on the specific T cell receptor (TCR)-mediated recognition by CD8 T cells of small antigenic peptides presented in the context of class-I Major Histocompatibility Complex molecules (pMHCs) on the surface of infected or malignant cells. The strength (affinity/avidity) of this interaction is a major correlate of protection. Although tumour-reactive CD8 T cells can be observed in cancer patients, anti-tumour immune responses are often ineffective in controlling or eradicating the disease due to the relative low TCR affinity of these cells. To overcome this limitation, tumour-specific CD8 T cells can be genetically modified to express TCRs of improved binding strength against a defined tumour antigen before adoptive cell transfer into cancer patients. We previously generated a panel of TCRs specific for the cancer-testis antigen NY-ESO-l,57.165 with progressively increased affinities for the pMHC complex, thus providing us with a unique tool to investigate the causal link between the surface expression of such TCRs and T cell activation and function. We recently demonstrated that anti-tumour CD8 T cell reactivity could only be improved within physiological affinity limits, beyond which drastic functional declines were observed, suggesting the presence of multiple regulatory mechanisms limiting T cell activation and function in a TCR affinity-dependent manner. The overarching goal of this thesis was (i) to assess the precise impact of TCR affinity on T cell activation and signalling at the molecular level and (ii) to gain further insights on the mechanisms that regulate and delimitate maximal/optimized CD8 T cell activation and signalling. Specifically, by combining several technical approaches we characterized the activation status of proximal (i.e. CD3Ç, Lek, and ZAP-70) and distal (i.e. ERK1/2) signalling molecules along the TCR affinity gradient. Moreover, we assessed the extent of TCR downmodulation, a critical step for initial T cell activation. CD8 T cells engineered with the optimal TCR affinity variants showed increased activation levels of both proximal and distal signalling molecules when compared to the wild-type T cells. Our analyses also highlighted the "paradoxical" status of tumour-reactive CD8 T cells bearing very high TCR affinities, which retained strong proximal signalling capacity and TCR downmodulation, but were unable to propagate signalling distally (i.e. pERKl/2), resulting in impaired cell-mediated functions. Importantly, these very high affinity T cells displayed maximal levels of SHP-1 and SHP-2 phosphatases, two negative regulatory molecules, and this correlated with a partial pERKl/2 signalling recovery upon pharmacological SHP-l/SHP-2 inhibition. These findings revealed the putative presence of inhibitory regulators of the TCR signalling cascade acting very rapidly following tumour-specific stimulation. Moreover, the very high affinity T cells were only able to transiently express enhanced proximal signalling molecules, suggesting the presence of an additional level of regulation that operates through the activation of negative feedback loops over time, limiting the duration of the TCR-mediated signalling. Overall, the determination of TCR-pMHC binding parameters eliciting optimal CD8 T cell activation, signalling, and effector function while guaranteeing high antigen specificity, together with the identification of critical regulatory mechanisms acting proximally in the TCR signalling cascade, will directly contribute to optimize and support the development of future TCR-based adoptive T cell strategies for the treatment of malignant diseases. -- Les lymphocytes T CD8 cytotoxiques jouent un rôle prédominant dans la protection contre les pathogènes intracellulaires et les cellules tumorales. Ces réponses immunitaires dépendent de la spécificité avec laquelle les récepteurs T (TCR) des lymphocytes CD8 reconnaissent les peptides antigéniques présentés par les molécules du complexe Majeur de Histocompatibilité de classe I (pCMH) à la surface des cellules infectées ou malignes. La force (ou affinité/avidité) de l'interaction du TCR-pCMH est un corrélat majeur de protection. Les réponses immunitaires sont cependant souvent inefficaces et ne permettent pas de contrôler ou d'éliminer les cellules tumorales chez les patients atteint du cancer, et ce à cause de la relative faible reconnaissance des TCRs exprimés par les lymphocytes T CD8 envers les antigènes tumoraux. Afin de surmonter cette limitation, les cellules T anti-tumorales peuvent être génétiquement modifiées en les dotant de TCRs préalablement optimisés afin d'augmenter leur reconnaissance ou affinité contre les antigènes tumoraux, avant leur ré¬infusion dans le patient. Nous avons récemment généré des cellules T CD8 exprimant un panel de TCRs spécifiques pour l'antigène tumoral NY-ESO-l157.16J avec des affinités croissantes, permettant ainsi d'investiguer la causalité directe entre l'affinité du TCR-pCMH et la fonction des cellules T CD8. Nous avons démontré que la réactivité anti-tumorale pouvait être améliorée en augmentant l'affinité du TCR dans une intervalle physiologique, mais au delà duquel nous observons un important déclin fonctionnel. Ces résultats suggèrent la présence de mécanismes de régulation limitant l'activation des cellules T de manière dépendante de l'affinité du TCR. Le but de cette thèse a été (i) de définir l'impact précis de l'affinité du TCR sur l'activation et la signalisation des cellules T CD8 au niveau moléculaire et (ii) d'acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes qui régulent et délimitent l'activation et la signalisation maximale des cellules T CD8 optimisées. Spécifiquement, en combinant plusieurs approches technologiques, nous avons caractérisé l'état d'activation de différentes protéines de la voie de signalisation proximale (CD3Ç, Lek et ZAP-70) et distale (ERK1/2) le long du gradient d'affinité du TCR, ainsi que l'internalisation du TCR, une étape clef dans l'activation initiale des cellules T. Les lymphocytes T CD8 exprimant des TCRs d'affinité optimale ont montré des niveaux d'activation augmentés des molécules proximales et distales par rapport aux cellules de type sauvage (wild-type). Nos analyses ont également mis en évidence un paradoxe chez les cellules T CD8 équipées avec des TCRs de très haute affinité. En effet, ces cellules anti-tumorales sont capables d'activer leurs circuits biochimiques au niveau proximal et d'internaliser efficacement leur TCR, mais ne parviennent pas à propager les signaux biochimiques dépendants du TCR jusqu'au niveau distal (via phospho-ERKl/2), avec pour conséquence une limitation de leur capacité fonctionnelle. Finalement, nous avons démontré que SHP-1 et SHP-2, deux phosphatases avec des propriétés régulatrices négatives, étaient majoritairement exprimées dans les cellules T CD8 de très hautes affinités. Une récupération partielle des niveaux d'activation de ERK1/2 a pu être observée après l'inhibition pharmacologique de ces phosphatases. Ces découvertes révèlent la présence de régulateurs moléculaires qui inhibent le complexe de signalisation du TCR très rapidement après la stimulation anti-tumorale. De plus, les cellules T de très hautes affinités ne sont capables d'activer les molécules de la cascade de signalisation proximale que de manière transitoire, suggérant ainsi un second niveau de régulation via l'activation de mécanismes de rétroaction prenant place progressivement au cours du temps et limitant la durée de la signalisation dépendante du TCR. En résumé, la détermination des paramètres impliqués dans l'interaction du TCR-pCMH permettant l'activation de voies de signalisation et des fonctions effectrices optimales ainsi que l'identification des mécanismes de régulation au niveau proximal de la cascade de signalisation du TCR contribuent directement à l'optimisation et au développement de stratégies anti-tumorales basées sur l'ingénierie des TCRs pour le traitement des maladies malignes.

Disaggregating chaperones: an unfolding story.

Stress, molecular crowding and mutations may jeopardize the native folding of proteins. Misfolded and aggregated proteins not only loose their biological activity, but may also disturb protein homeostasis, damage membranes and induce apoptosis. Here, we review the role of molecular chaperones as a network of cellular defenses against the formation of cytotoxic protein aggregates. Chaperones favour the native folding of proteins either as "holdases", sequestering hydrophobic regions in misfolding polypeptides, and/or as "unfoldases", forcibly unfolding and disentangling misfolded polypeptides from aggregates. Whereas in bacteria, plants and fungi Hsp70/40 acts in concert with the Hsp100 (ClpB) unfoldase, Hsp70/40 is the only known chaperone in the cytoplasm of mammalian cells that can forcibly unfold and neutralize cytotoxic protein conformers. Owing to its particular spatial configuration, the bulky 70 kDa Hsp70 molecule, when distally bound through a very tight molecular clamp onto a 50-fold smaller hydrophobic peptide loop extruding from an aggregate, can locally exert on the misfolded segment an unfolding force of entropic origin, thus destroying the misfolded structures that stabilize aggregates. ADP/ATP exchange triggers Hsp70 dissociation from the ensuing enlarged unfolded peptide loop, which is then allowed to spontaneously refold into a closer-to-native conformation devoid of affinity for the chaperone. Driven by ATP, the cooperative action of Hsp70 and its co-chaperone Hsp40 may thus gradually convert toxic misfolded protein substrates with high affinity for the chaperone, into non-toxic, natively refolded, low-affinity products. Stress- and mutation-induced protein damages in the cell, causing degenerative diseases and aging, may thus be effectively counteracted by a powerful network of molecular chaperones and of chaperone-related proteases.

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.

HARNESSING iNKT CELLS WITH RECOMBINANT CD1d FUSION PROTEINS TO REDIRECT INNATE AND ADAPTIVE IMMUNITY TO THE TUMOR

Les thérapies du cancer, comme la radiothérapie et la chimiothérapie, sont couramment utilisées mais ont de nombreux effets secondaires. Ces thérapies invasives pour le patient nécessitent d'être améliorées et de nombreuses avancées ont été faites afin d'adapter et de personnaliser le traitement du cancer. L'immunothérapie a pour but de renforcer le système immunitaire du patient et de le rediriger de manière spécifique contre la tumeur. Dans notre projet, nous activons les lymphocytes Invariant Natural Killer T (iNKT) afin de mettre en place une immunothérapie innovatrice contre le cancer. Les cellules iNKT sont une unique sous-population de lymphocytes T qui ont la particularité de réunir les propriétés de l'immunité innée ainsi qu'adaptative. En effet, les cellules iNKT expriment à leur surface des molécules présentes aussi sur les cellules tueuses NK, caractéristique de l'immunité innée, ainsi qu'un récepteur de cellules T (TCR) qui représente l'immunité adaptative. Les cellules iNKT reconnaissent avec leur TCR des antigènes présentés par la molécule CD1d. Les antigènes sont des protéines, des polysaccharides ou des lipides reconnus par les cellules du système immunitaire ou les anticorps pour engendrer une réponse immunitaire. Dans le cas des cellules iNKT, l'alpha-galactosylceramide (αGC) est un antigène lipidique fréquemment utilisé dans les études cliniques comme puissant activateur. Après l'activation des cellules iNKT avec l'αGC, celles-ci produisent abondamment et rapidement des cytokines. Ces cytokines sont des molécules agissant comme des signaux activateurs d'autres cellules du système immunitaire telles que les cellules NK et les lymphocytes T. Cependant, les cellules iNKT deviennent anergiques après un seul traitement avec l'αGC c'est à dire qu'elles ne peuvent plus être réactivées, ce qui limite leur utilisation dans l'immunothérapie du cancer. Dans notre groupe, Stirnemann et al ont publié une molécule recombinante innovante, composée de la molécule CD1d soluble et chargée avec le ligand αGC (αGC/sCD1d). Cette protéine est capable d'activer les cellules iNKT tout en évitant l'anergie. Dans le système immunitaire, les anticorps sont indispensables pour combattre une infection bactérienne ou virale. En effet, les anticorps ont la capacité de reconnaître et lier spécifiquement un antigène et permettent l'élimination de la cellule qui exprime cet antigène. Dans le domaine de l'immunothérapie, les anticorps sont utilisés afin de cibler des antigènes présentés seulement par la tumeur. Ce procédé permet de réduire efficacement les effets secondaires lors du traitement du cancer. Nous avons donc fusionné la protéine recombinante αGC/CD1d à un fragment d'anticorps qui reconnaît un antigène spécifique des cellules tumorales. Dans une étude préclinique, nous avons démontré que la protéine αGC/sCD1d avec un fragment d'anticorps dirigé contre la tumeur engendre une meilleure activation des cellules iNKT et entraîne un effet anti-tumeur prolongé. Cet effet anti-tumeur est augmenté comparé à une protéine αGC/CD1d qui ne cible pas la tumeur. Nous avons aussi montré que l'activation des cellules iNKT avec la protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur améliore l'effet anti- tumoral d'un vaccin pour le cancer. Lors d'expériences in vitro, la protéine αGC/sCD1d-anti- tumeur permet aussi d'activer les cellules humaines iNKT et ainsi tuer spécifiquement les cellules tumorales humaines. La protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur représente une alternative thérapeutique prometteuse dans l'immunothérapie du cancer. - Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT), dont les effets anti-tumoraux ont été démontrés, sont de puissants activateurs des cellules Natural Killer (NK), des cellules dendritiques (DC) et des lymphocytes T. Cependant, une seule injection du ligand de haute affinité alpha-galactosylceramide (αGC) n'induit une forte activation des cellules iNKT que durant une courte période. Celle-ci est alors suivie d'une longue phase d'anergie, limitant ainsi leur utilisation pour la thérapie. Comme alternative prometteuse, nous avons montré que des injections répétées d'αGC chargé sur une protéine recombinante de CD1d soluble (αGC/sCD1d) chez la souris entraînent une activation prolongée des cellules iNKT, associée à une production continue de cytokine. De plus, le maintien de la réactivité des cellules iNKT permet de prolonger l'activité anti-tumorale lorsque la protéine αGC/sCD1d est fusionnée à un fragment d'anticorps (scFv) dirigé contre la tumeur. L'inhibition de la croissance tumorale n'est optimale que lorsque les souris sont traitées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv ciblant la tumeur, la protéine αGC/sCD1d-scFv non-appropriée étant moins efficace. Dans le système humain, les protéines recombinantes αGC/sCD1d-anti-HER2 et anti-CEA sont capables d'activer et de faire proliférer des cellules iNKT à partir de PBMCs issues de donneurs sains. De plus, la protéine αGC/sCD1d-scFv a la capacité d'activer directement des clones iNKT humains en l'absence de cellules présentatrices d'antigènes (CPA), contrairement au ligand αGC libre. Mais surtout, la lyse des cellules tumorales par les iNKT humaines n'est obtenue que lorsqu'elles sont incubées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv anti- tumeur. En outre, la redirection de la cytotoxicité des cellules iNKT vers la tumeur est supérieure à celle obtenue avec une stimulation par des CPA chargées avec l'αGC. Afin d'augmenter les effets anti-tumoraux, nous avons exploité la capacité des cellules iNKT à activer l'immunité adaptive. Pour ce faire, nous avons combiné l'immunothérapie NKT/CD1d avec un vaccin anti-tumoral composé d'un peptide OVA. Des effets synergiques ont été obtenus lorsque les traitements avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 étaient associés avec le CpG ODN comme adjuvant pour la vaccination avec le peptide OVA. Ces effets ont été observés à travers l'activation de nombreux lymphocytes T CD8+ spécifique de la tumeur, ainsi que par la forte expansion des cellules NK. Les réponses, innée et adaptive, élevées après le traitement avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 combinée au vaccin OVA/CpG ODN étaient associées à un fort ralentissement de la croissance des tumeurs B16- OVA-HER2. Cet effet anti-tumoral corrèle avec l'enrichissement des lymphocytes T CD8+ spécifiques observé à la tumeur. Afin d'étendre l'application des protéines αGC/sCD1d et d'améliorer leur efficacité, nous avons développé des fusions CD1d alternatives. Premièrement, une protéine αGC/sCD1d dimérique, qui permet d'augmenter l'avidité de la molécule CD1d pour les cellules iNKT. Dans un deuxième temps, nous avons fusionné la protéine αGC/sCD1d avec un scFv dirigé contre le récepteur 3 du facteur de croissance pour l'endothélium vasculaire (VEGFR-3), afin de cibler l'environnement de la tumeur. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la thérapie médiée par la protéine recombinante αGC/sCD1d-scFv est une approche prometteuse pour rediriger l'immunité innée et adaptive vers le site tumoral. - Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are potent activators of Natural Killer (NK), dendritic cells (DC) and T lymphocytes, and their anti-tumor activities have been well demonstrated. However, a single injection of the high affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (αGC) leads to a strong but short-lived iNKT cell activation followed by a phase of long-term anergy, limiting the therapeutic use of this ligand. As a promising alternative, we have demonstrated that when αGC is loaded on recombinant soluble CD1d molecules (αGC/sCD1d), repeated injections in mice led to the sustained iNKT cell activation associated with continued cytokine secretion. Importantly, the retained reactivity of iNKT cell led to prolonged antitumor activity when the αGC/sCD1d was fused to an anti-tumor scFv fragments. Optimal inhibition of tumor growth was obtained only when mice were treated with the tumor-targeted αGC/CD1d-scFv fusion, whereas the irrelevant αGC/CD1d-scFv fusion was less efficient. When tested in a human system, the recombinant αGC/sCD1d-anti-HER2 and -anti-CEA fusion proteins were able to expand iNKT cells from PBMCs of healthy donors. Furthermore, the αGC/sCD1d-scFv fusion had the capacity to directly activate human iNKT cells clones without the presence of antigen-presenting cells (APCs), in contrast to the free αGC ligand. Most importantly, tumor cell killing by human iNKT cells was obtained only when co- incubated with the tumor targeted sCD1d-antitumor scFv, and their direct tumor cytotoxicity was superior to the bystander killing obtained with αGC-loaded APCs stimulation. To further enhance the anti-tumor effects, we exploited the ability of iNKT cells to transactivate the adaptive immunity, by combining the NKT/CD1d immunotherapy with a peptide cancer vaccine. Interestingly, synergistic effects were obtained when the αGC/sCD1d- anti-HER2 fusion treatment was combined with CpG ODN as adjuvant for the OVA peptide vaccine, as seen by higher numbers of activated antigen-specific CD8 T cells and NK cells, as compared to each regimen alone. The increased innate and adaptive immune responses upon combined tumor targeted sCD1d-scFv treatment and OVA/CpG vaccine were associated with a strong delay in B16-OVA-HER2 melanoma tumor growth, which correlated with an enrichment of antigen-specific CD8 cells at the tumor site. In order to extend the application of the CD1d fusion, we designed alternative CD1d fusion proteins. First, a dimeric αGC/sCD1d-Fc fusion, which permits to augment the avidity of the CD1d for iNKT cells and second, an αGC/sCD1d fused to an anti vascular endothelial growth factor receptor-3 (VEGFR-3) scFv, in order to target tumor stroma environment. Altogether, these results demonstrate that the iNKT-mediated immunotherapy via recombinant αGC/sCD1d-scFv fusion is a promising approach to redirect the innate and adaptive antitumor immune response to the tumor site.

A new chemical tool (C0036E08) supports the role of adenosine A(2B) receptors in mediating human mast cell activation.

Asthma is a chronic inflammatory disease of the airways that involves many cell types, amongst which mast cells are known to be important. Adenosine, a potent bronchoconstricting agent, exerts its ability to modulate adenosine receptors of mast cells thereby potentiating derived mediator release, histamine being one of the first mediators to be released. The heterogeneity of sources of mast cells and the lack of highly potent ligands selective for the different adenosine receptor subtypes have been important hurdles in this area of research. In the present study we describe compound C0036E08, a novel ligand that has high affinity (pK(i) 8.46) for adenosine A(2B) receptors, being 9 times, 1412 times and 3090 times more selective for A(2B) receptors than for A(1), A(2A) and A(3) receptors, respectively. Compound C0036E08 showed antagonist activity at recombinant and native adenosine receptors, and it was able to fully block NECA-induced histamine release in freshly isolated mast cells from human bronchoalveolar fluid. C0036E08 has been shown to be a valuable tool for the identification of adenosine A(2B) receptors as the adenosine receptors responsible for the NECA-induced response in human mast cells. Considering the increasing interest of A(2B) receptors as a therapeutic target in asthma, this chemical tool might provide a base for the development of new anti-asthmatic drugs.

PSMA-Specific CAR-Engineered T Cells Eradicate Disseminated Prostate Cancer in Preclinical Models.

Immunology-based interventions have been proposed as a promising curative chance to effectively attack postoperative minimal residual disease and distant metastatic localizations of prostate tumors. We developed a chimeric antigen receptor (CAR) construct targeting the human prostate-specific membrane antigen (hPSMA), based on a novel and high affinity specific mAb. As a transfer method, we employed last-generation lentiviral vectors (LV) carrying a synthetic bidirectional promoter capable of robust and coordinated expression of the CAR molecule, and a bioluminescent reporter gene to allow the tracking of transgenic T cells after in vivo adoptive transfer. Overall, we demonstrated that CAR-expressing LV efficiently transduced short-term activated PBMC, which in turn were readily stimulated to produce cytokines and to exert a relevant cytotoxic activity by engagement with PSMA+ prostate tumor cells. Upon in vivo transfer in tumor-bearing mice, CAR-transduced T cells were capable to completely eradicate a disseminated neoplasia in the majority of treated animals, thus supporting the translation of such approach in the clinical setting.

Peptabody-EGF: a novel apoptosis inducer targeting ErbB1 receptor overexpressing cancer cells.

The epidermal growth factor receptor (EGFR) plays a central role in cell life by controlling processes such as growth or proliferation. This receptor is commonly overexpressed in a number of epithelial malignancies and its upregulation is often associated with an aggressive phenotype of the tumor. Thus, targeting of EGFR represents a very promising challenge in oncology, and antibodies raised against this receptor have been investigated as potential antitumor agents. Various putative mechanisms of action were proposed for such antibodies, including decreased proliferation, induction of apoptosis, stimulation of the immunological response against targeted cancer cells or combinations thereof. We report here the development of an alternative high affinity molecule that is directed against EGFR. Production of this pentameric protein, named peptabody-EGF, includes expression in a bacterial expression system and subsequent refolding and multimerization of peptabody monomers. The protein complex contains 5 human EGF ligand domains, which confer specific binding towards the extracellular portion of EGFR. Receptor binding of the peptabody-EGF had a strong antiproliferative effect on different cancer cell lines overexpressing EGFR. However, cells expressing constitutive levels of the target receptor were barely affected. Peptabody-EGF treated cancer cells exhibited typical characteristics of apoptosis, which was found to be induced within 30 min after the addition of the peptabody-EGF. In vitro experiments demonstrated a significantly higher binding activity for peptabody-EGF than for the therapeutic monoclonal EGFR antibody Mab-425. Furthermore, the antitumor action provoked by the peptabody-EGF was greatly superior than antibody mediated effects when tested on EGFR overexpressing cancer cell lines. These findings suggest a potential application of this high affinity molecule as a novel tool for anti-EGFR therapy.

Generation of a recombinant mouse-human chimaeric monoclonal antibody directed against human carcinoembryonic antigen.

A procedure was devised for the identification and specific cloning of functionally rearranged variable region immunoglobulin (Ig) gene segments from genomic DNA of a murine hybridoma cell line which produces a high-affinity monoclonal antibody (MAb) directed against human carcinoembryonic antigen (CEA). The cloned, functionally-rearranged murine Ig H-chain and L-chain variable region gene segments were incorporated into plasmid vectors capable of directing the expression of a chimaeric mouse-human antibody molecule with human (gamma 4, kappa) constant region sequences. Expression plasmids were transfected into a mouse myeloma cell line by electroporation and transfectomas secreting functional chimaeric antibody selected. Chimaeric antibody generated by transfectomas was analysed and shown to compete effectively with its murine counterpart for binding to the CEA epitope, and to have an equivalent antigen-binding affinity. This anti-CEA recombinant antibody should find application in in vivo diagnosis by immunoscintigraphy of human colonic carcinoma, and possibly also in therapy of the disease, overcoming some of the difficulties associated with the repeated use of non-human immunoglobulins in human patients.

IL-2- and CD25-dependent immunoregulatory mechanisms in the homeostasis of T-cell subsets.

IL-2 plays a pivotal role in regulating the adaptive immune system by controlling the survival and proliferation of regulatory T (Treg) cells, which are required for the maintenance of immune tolerance. Moreover, IL-2 is implicated in the differentiation and homeostasis of effector T-cell subsets, including T(H)1, T(H)2, T(H)17, and memory CD8+ T cells. The IL-2 receptor is composed of 3 distinct subunits, namely the alpha (CD25), beta (CD122), and gamma (gammac) chains. Of crucial importance for the delivery of IL-2 signals to Treg cells is the expression of CD25, which, along with CD122 and gammac, confers high affinity binding to IL-2. Notably, recent findings suggest a novel role for CD25, whereby CD25 molecules on Treg cells and possibly other cells are capable of influencing T-cell homeostasis by means of IL-2 deprivation. This review explores these findings and integrates them into our current understanding of T-cell homeostasis.

Fatty acids and eicosanoids regulate gene expression through direct interactions with peroxisome proliferator-activated receptors alpha and gamma.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) alpha and gamma are key regulators of lipid homeostasis and are activated by a structurally diverse group of compounds including fatty acids, eicosanoids, and hypolipidemic drugs such as fibrates and thiazolidinediones. While thiazolidinediones and 15-deoxy-Delta12, 14-prostaglandin J2 have been shown to bind to PPARgamma, it has remained unclear whether other activators mediate their effects through direct interactions with the PPARs or via indirect mechanisms. Here, we describe a novel fibrate, designated GW2331, that is a high-affinity ligand for both PPARalpha and PPARgamma. Using GW2331 as a radioligand in competition binding assays, we show that certain mono- and polyunsaturated fatty acids bind directly to PPARalpha and PPARgamma at physiological concentrations, and that the eicosanoids 8(S)-hydroxyeicosatetraenoic acid and 15-deoxy-Delta12,14-prostaglandin J2 can function as subtype-selective ligands for PPARalpha and PPARgamma, respectively. These data provide evidence that PPARs serve as physiological sensors of lipid levels and suggest a molecular mechanism whereby dietary fatty acids can modulate lipid homeostasis.

Elf-1 contributes to the function of the complex interleukin (IL)-2-responsive enhancer in the mouse IL-2 receptor alpha gene.

Lymphocytes regulate their responsiveness to IL-2 through the transcriptional control of the IL-2R alpha gene, which encodes a component of the high affinity IL-2 receptor. In the mouse IL-2R alpha gene this control is exerted via two regulatable elements, a promoter proximal region, and an IL-2-responsive enhancer (IL-2rE) 1.3 kb upstream. In vitro and in vivo functional analysis of the IL-2rE in the rodent thymic lymphoma-derived, CD4- CD8- cell line PC60 demonstrated that three separate elements, sites I, II, and III, were necessary for IL-2 responsiveness; these three sites demonstrate functional cooperation. Site III contains a consensus binding motif for members of the Ets family of transcription factors. Here we demonstrate that Elf-1, an Ets-like protein, binds to site III and participates in IL-2 responsiveness. In vitro site III forms a complex with a protein constitutively present in nuclear extracts from PC60 cells as well as from normal CD4- CD8- thymocytes. We have identified this molecule as Elf-1 according to a number of criteria. The complex possesses an identical electrophoretic mobility to that formed by recombinant Elf-1 protein and is super-shifted by anti-Elf-1 antibodies. Biotinylated IL-2rE probes precipitate Elf-1 from PC60 extracts provided site III is intact and both recombinant and PC60-derived proteins bind with the same relative affinities to different mutants of site III. In addition, by introducing mutations into the core of the site III Ets-like motif and comparing the corresponding effects on the in vitro binding of Elf-1 and the in vivo IL-2rE activity, we provide strong evidence that Elf-1 is directly involved in IL-2 responsiveness. The nature of the functional cooperativity observed between Elf-1 and the factors binding sites I and II remains unresolved; experiments presented here however suggest that this effect may not require direct interactions between the proteins binding these three elements.

INTERCELLULAR AND SYSTEM-LEVEL ASPECTS OF THE METABOLIC INTERACTIONS BETWEEN NEURONS AND GLIA

Quand on parle de l'acide lactique (aussi connu sous le nom de lactate) une des premières choses qui vient à l'esprit, c'est son implication en cas d'intense activité musculaire. Sa production pendant une activité physique prolongée est associée avec la sensation de fatigue. Il n'est donc pas étonnant que cette molécule ait été longtemps considérée comme un résidu du métabolisme, possiblement toxique et donc à éliminer. En fait, il a été découvert que le lactate joue un rôle prépondérant dans le métabolisme grâce à son fort potentiel énergétique. Le cerveau, en particulier les neurones qui le composent, est un organe très gourmand en énergie. Récemment, il a été démontré que les astrocytes, cellules du cerveau faisant partie de la famille des cellules gliales, utilisent le glucose pour produire du lactate comme source d'énergie et le distribue aux neurones de manière adaptée à leur activité. Cette découverte a renouvelé l'intérêt scientifique pour le lactate. Aujourd'hui, plusieurs études ont démontré l'implication du lactate dans d'autres fonctions de la physiologie cérébrale. Dans le cadre de notre étude, nous nous sommes intéressés au rapport entre neurones et astrocytes avec une attention particulière pour le rôle du lactate. Nous avons découvert que le lactate possède la capacité de modifier la communication entre les neurones. Nous avons aussi décrypté le mécanisme grâce auquel le lactate agit, qui est basé sur un récepteur présent à la surface des neurones. Cette étude montre une fonction jusque-là insoupçonnée du lactate qui a un fort impact sur la compréhension de la relation entre neurones et astrocytes. - Relatively to its volume, the brain uses a large amount of glucose as energy source. Furthermore, a tight link exists between the level of synaptic activity and the consumption of energy equivalents. Astrocytes have been shown to play a central role in the regulation of this so-called neurometabolic coupling. They are thought to deliver the metabolic substrate lactate to neurons in register to glutamatergic activity. The astrocytic uptake of glutamate, released in the synaptic cleft, is the trigger signal that activates an intracellular cascade of events that leads to the production and release of lactate from astrocytes. The main goal of this thesis work was to obtain detailed information on the metabolic and functional interplay between neurons and astrocytes, in particular on the influence of lactate besides its metabolic effects. To gain access to both spatial and temporal aspects of these dynamic interactions, we used optical microscopy associated with specific fluorescent indicators, as well as electrophysiology. In the first part of this thesis, we show that lactate decreases spontaneous neuronal, activity in a concentration-dependent manner and independently of its metabolism. We further identified a receptor-mediated pathway underlying this modulatory action of lactate. This finding constituted a novel mechanism for the modulation of neuronal transmission by lactate. In the second part, we have undergone a characterization of a new pharmacological tool, a high affinity glutamate transporter inhibitor. The finality of this study was to investigate the detailed pharmacological properties of the compound to optimize its use as a suppressor of glutamate signal from neuron to astrocytes. In conclusion, both studies have implications not only for the understanding of the metabolic cooperation between neurons and astrocytes, but also in the context of the glial modulation of neuronal activity. - Par rapport à son volume, le cerveau utilise une quantité massive de glucose comme source d'énergie. De plus, la consommation d'équivalents énergétiques est étroitement liée au niveau d'activité synaptique. Il a été montré que dans ce couplage neurométabolique, un rôle central est joué par les astrocytes. Ces cellules fournissent le lactate, un substrat métabolique, aux neurones de manière adaptée à leur activité glutamatergique. Plus précisément, le glutamate libéré dans la fente synaptique par les neurones, est récupéré par les astrocytes et déclenche ainsi une cascade d'événements intracellulaires qui conduit à la production et libération de lactate. Les travaux de cette thèse ont visé à étudier la relation métabolique et fonctionnelle entre neurones et astrocytes, avec une attention particulière pour des rôles que pourrait avoir le lactate au-delà de sa fonction métabolique. Pour étudier les aspects spatio-temporels de ces interactions dynamiques, nous avons utilisé à la fois la microscopie optique associée à des indicateurs fluorescents spécifiques, ainsi que l'électrophysiologie. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que le lactate diminue l'activité neuronale spontanée de façon concentration-dépendante et indépendamment de son métabolisme. Nous avons identifié l'implication d'un récepteur neuronal au lactate qui sous-tend ce mécanisme de régulation. La découverte de cette signalisation via le lactate constitue un mode d'interaction supplémentaire et nouveau entre neurones et astrocytes. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé un outil pharmacologique, un inhibiteur des transporteurs du glutamate à haute affinité. Le but de cette étude était d'obtenir un agent pharmacologique capable d'interrompre spécifiquement le signal médié par le glutamate entre neurones et astrocytes pouvant permettre de mieux comprendre leur relation. En conclusion, ces études ont une implication non seulement pour la compréhension de la coopération entre neurones et astrocytes mais aussi dans le contexte de la modulation de l'activité neuronale par les cellules gliales.

CHO expression of a novel human recombinant IgG1 anti-RhD antibody isolated by phage display.

Replacement of the hyperimmune anti-Rhesus (Rh) D immunoglobulin, currently used to prevent haemolytic disease of the newborn, by fully recombinant human anti-RhD antibodies would solve the current logistic problems associated with supply and demand. The combination of phage display repertoire cloning with precise selection procedures enables isolation of specific genes that can then be inserted into mammalian expression systems allowing production of large quantities of recombinant human proteins. With the aim of selecting high-affinity anti-RhD antibodies, two human Fab libraries were constructed from a hyperimmune donor. Use of a new phage panning procedure involving bromelin-treated red blood cells enabled the isolation of two high-affinity Fab-expressing phage clones. LD-6-3 and LD-6-33, specific for RhD. These showed a novel reaction pattern by recognizing the D variants D(III), D(IVa), D(IVb), D(Va), D(VI) types I and II. D(VII), Rh33 and DFR. Full-length immunoglobulin molecules were constructed by cloning the variable regions into expression vectors containing genomic DNA encoding the immunoglobulin constant regions. We describe the first, stable, suspension growth-adapted Chinese hamster ovary (CHO) cell line producing a high affinity recombinant human IgG1 anti-RhD antibody adapted to pilot-scale production. Evaluation of the Fc region of this recombinant antibody by either chemiluminescence or antibody-dependent cell cytotoxicity (ADCC) assays demonstrated macrophage activation and lysis of red blood cells by human lymphocytes. A consistent source of recombinant human anti-RhD immunoglobulin produced by CHO cells is expected to meet the stringent safety and regulatory requirements for prophylactic application.

Expression cloning of the pancreatic beta cell receptor for the gluco-incretin hormone glucagon-like peptide 1.

Glucagon-like peptide 1 (GLP-1) is a hormone derived from the preproglucagon molecule and is secreted by intestinal L cells. It is the most potent stimulator of glucose-induced insulin secretion and also suppresses in vivo acid secretion by gastric glands. A cDNA for the GLP-1 receptor was isolated by transient expression of a rat pancreatic islet cDNA library into COS cells; this was followed by binding of radiolabeled GLP-1 and screening by photographic emulsion autoradiography. The receptor transfected into COS cells binds GLP-1 with high affinity and is coupled to activation of adenylate cyclase. The receptor binds specifically GLP-1 and does not bind peptides of related structure and similar function, such as glucagon, gastric inhibitory peptide, vasoactive intestinal peptide, or secretin. The receptor is 463 amino acids long and contains seven transmembrane domains. Sequence homology is found only with the receptors for secretin, calcitonin, and parathyroid hormone, which form a newly characterized family of G-coupled receptors.

Cooperative expression of junctional adhesion molecule-C and -B supports growth and invasion of glioma.

Brain invasion is a biological hallmark of glioma that contributes to its aggressiveness and limits the potential of surgery and irradiation. Deregulated expression of adhesion molecules on glioma cells is thought to contribute to this process. Junctional adhesion molecules (JAMs) include several IgSF members involved in leukocyte trafficking, angiogenesis, and cell polarity. They are expressed mainly by endothelial cells, white blood cells, and platelets. Here, we report JAM-C expression by human gliomas, but not by their normal cellular counterpart. This expression correlates with the expression of genes involved in cytoskeleton remodeling and cell migration. These genes, identified by a transcriptomic approach, include poliovirus receptor and cystein-rich 61, both known to promote glioma invasion, as well as actin filament associated protein, a c-Src binding partner. Gliomas also aberrantly express JAM-B, a high affinity JAM-C ligand. Their interaction activates the c-Src proto-oncogene, a central upstream molecule in the pathways regulating cell migration and invasion. In the tumor microenvironment, this co-expression may thus promote glioma invasion through paracrine stimuli from both tumor cells and endothelial cells. Accordingly, JAM-C/B blocking antibodies impair in vivo glioma growth and invasion, highlighting the potential of JAM-C and JAM-B as new targets for the treatment of human gliomas.