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.

Flagellin promotes myeloid differentiation factor 88-dependent development of Th2-type response.

Activation of dendritic cells (DC) by microbial products via Toll-like receptors (TLR) is instrumental in the induction of immunity. In particular, TLR signaling plays a major role in the instruction of Th1 responses. The development of Th2 responses has been proposed to be independent of the adapter molecule myeloid differentiation factor 88 (MyD88) involved in signal transduction by TLRs. In this study we show that flagellin, the bacterial stimulus for TLR5, drives MyD88-dependent Th2-type immunity in mice. Flagellin promotes the secretion of IL-4 and IL-13 by Ag-specific CD4(+) T cells as well as IgG1 responses. The Th2-biased responses are associated with the maturation of DCs, which are shown to express TLR5. Flagellin-mediated DC activation requires MyD88 and induces NF-kappaB-dependent transcription and the production of low levels of proinflammatory cytokines. In addition, the flagellin-specific response is characterized by the lack of secretion of the Th1-promoting cytokine IL-12 p70. In conclusion, this study suggests that flagellin and, more generally, TLR ligands can control Th2 responses in a MyD88-dependent manner.

How the gut links innate and adaptive immunity.

Mucosal surfaces represent the main sites in which environmental microorganisms and antigens interact with the host. Sentinel cells, including epithelial cells, lumenal macrophages, and intraepithelial dendritic cells, continuously sense the environment and coordinate defenses for the protection of mucosal tissues. The mucosal epithelial cells are crucial actors in coordinating defenses. They sense the outside world and respond to environmental signals by releasing chemokines and cytokines that recruit inflammatory and immune cells to control potential infectious agents and to attract cells able to trigger immune responses. Among immune cells, dendritic cells (DC) play a key role in controlling adaptive immune responses, due to their capacity to internalize foreign materials and to present antigens to naive T and B lymphocytes, locally or in draining organized lymphoid tissues. Immune cells recruited in epithelial tissues can, in turn, act upon the epithelial cells and change their phenotype in a process referred to as epithelial metaplasia.

Cysteine-rich Domain 1 of CD40 Mediates Receptor Self-assembly.

The activation of CD40 on B cells, macrophages, and dendritic cells by its ligand CD154 (CD40L) is essential for the development of humoral and cellular immune responses. CD40L and other TNF superfamily ligands are noncovalent homotrimers, but the form under which CD40 exists in the absence of ligand remains to be elucidated. Here, we show that both cell surface-expressed and soluble CD40 self-assemble, most probably as noncovalent dimers. The cysteine-rich domain 1 (CRD1) of CD40 participated to dimerization and was also required for efficient receptor expression. Modelization of a CD40 dimer allowed the identification of lysine 29 in CRD1, whose mutation decreased CD40 self-interaction without affecting expression or response to ligand. When expressed alone, recombinant CD40-CRD1 bound CD40 with a KD of 0.6 μm. This molecule triggered expression of maturation markers on human dendritic cells and potentiated CD40L activity. These results suggest that CD40 self-assembly modulates signaling, possibly by maintaining the receptor in a quiescent state.

Malt1 protease inactivation efficiently dampens immune responses but causes spontaneous autoimmunity.

The protease activity of the paracaspase Malt1 has recently gained interest as a drug target for immunomodulation and the treatment of diffuse large B-cell lymphomas. To address the consequences of Malt1 protease inactivation on the immune response in vivo, we generated knock-in mice expressing a catalytically inactive C472A mutant of Malt1 that conserves its scaffold function. Like Malt1-deficient mice, knock-in mice had strong defects in the activation of lymphocytes, NK and dendritic cells, and the development of B1 and marginal zone B cells and were completely protected against the induction of autoimmune encephalomyelitis. Malt1 inactivation also protected the mice from experimental induction of colitis. However, Malt1 knock-in mice but not Malt1-deficient mice spontaneously developed signs of autoimmune gastritis that correlated with an absence of Treg cells, an accumulation of T cells with an activated phenotype and high serum levels of IgE and IgG1. Thus, removal of the enzymatic activity of Malt1 efficiently dampens the immune response, but favors autoimmunity through impaired Treg development, which could be relevant for therapeutic Malt1-targeting strategies.

Cell therapies for tendons: old cell choice for modern innovation.

Although tissue engineering and cell therapies are becoming realistic approaches for medical therapeutics, it is likely that musculoskeletal applications will be among the first to benefit on a large scale. Cell sources for tissue engineering and cell therapies for tendon pathologies are reviewed with an emphasis on small defect tendon injuries as seen in the hand which could adapt well to injectable cell administration. Specifically, cell sources including tenocytes, tendon sheath fibroblasts, bone marrow or adipose-derived stem cells, amniotic cells, placenta cells and platelet-derivatives have been proposed to enhance tendon regeneration. The associated advantages and disadvantages for these different strategies will be discussed and evolving regulatory requirements for cellular therapies will also be addressed. Human progenitor tenocytes, along with their clinical cell banking potential, will be presented as an alternative cell source solution. Similar cell banking techniques have already been described with other progenitor cell types in the 1950's for vaccine production, and these "old" cell types incite potentially interesting therapeutic options that could be improved with modern innovation for tendon regeneration and repair.

Characterization and application of two RANK-specific antibodies with different biological activities.

Antibodies play an important role in therapy and investigative biomedical research. The TNF-family member Receptor Activator of NF-κB (RANK) is known for its role in bone homeostasis and is increasingly recognized as a central player in immune regulation and epithelial cell activation. However, the study of RANK biology has been hampered by missing or insufficient characterization of high affinity tools that recognize RANK. Here, we present a careful description and comparison of two antibodies, RANK-02 obtained by phage display (Newa, 2014 [1]) and R12-31 generated by immunization (Kamijo, 2006 [2]). We found that both antibodies recognized mouse RANK with high affinity, while RANK-02 and R12-31 recognized human RANK with high and lower affinities, respectively. Using a cell apoptosis assay based on stimulation of a RANK:Fas fusion protein, and a cellular NF-κB signaling assay, we showed that R12-31 was agonist for both species. R12-31 interfered little or not at all with the binding of RANKL to RANK, in contrast to RANK-02 that efficiently prevented this interaction. Depending on the assay and species, RANK-02 was either a weak agonist or a partial antagonist of RANK. Both antibodies recognized human Langerhans cells, previously shown to express RANK, while dermal dendritic cells were poorly labeled. In vivo R12-31 agonist activity was demonstrated by its ability to induce the formation of intestinal villous microfold cells in mice. This characterization of two monoclonal antibodies should now allow better evaluation of their application as therapeutic reagents and investigative tools.