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.

Clinical and biochemical responses after Gamma Knife surgery for a dopamine-secreting paraganglioma: case report.

The efficacy of Gamma Knife surgery (GKS) in local tumor control of non-secreting paragangliomas (PGLs) has been fully described by previous studies. However, with regard to secreting PGL, only one previous case report exists advocating its efficacy at a biological level. The aims of this study were: 1) to evaluate the safety/efficacy of GKS in a dopamine-secreting PGL; 2) to investigate whether the biological concentrations of free methoxytyramine could be used as a marker of treatment efficacy during the follow-up. We describe the case of a 62-year-old man diagnosed with left PGL. He initially underwent complete surgical excision. Thirty months after, he developed recurrent biological and neuroradiological disease; the most sensitive biomarker for monitoring the disease, concentration of plasma free methoxytyramine, started to increase. GKS was performed at a maximal marginal dose of 16 Gy. During the following 30 months, concentration of free methoxytyramine gradually decreased from 0.14 nmol/l (2*URL) before GKS to 0.09 nmol/l, 6 months after GKS and 0.07 nmol/l at the last follow-up after GKS (1.1*URL), confirming the efficacy of the treatment. Additionally, at 30 months there was approximately 36.6% shrinkage from the initial target volume. The GKS treatment was safe and effective, this being confirmed clinically, neuroradiologically and biologically. The case illustrates the importance of laboratory tests taking into account methoxytyramine when analyzing biological samples to assess the biochemical activity of a PGL. In addition, the identification of methoxytyramine as a unique positive biomarker could designate it for the monitoring of tumor relapse after treatments, including Gamma Knife surgery.

Successful minimally invasive surgery for primary hyperparathyroidism: influence of preoperative imaging and intraoperative parathyroid hormone levels.

PURPOSE: Adenoma is the main parathyroid disorder leading to primary hyperparathyroidism (PHP). Minimally invasive parathyroidectomy (MIP) is recognized as a valid procedure for adenoma-related PHP. It requires precise preoperative localization combining Tc-99m-MIBI (methoxy-isobutyl-isonitrile) scintigraphy and single-photon emission computed tomography (SPECT) with x-ray computed tomography (CT) and intraoperative confirmation of successful excision by change in intact parathormone (iPTH) levels. The study aim was to assess the surgery success in relation to these two parameters. METHODS: All patients operated on for PHP from 2005 to mid-2014 at our institution were retrospectively reviewed. MIP was performed in case of precise preoperative adenoma localization on scintigraphy, absence of past cervical surgery, and absence of concomitant thyroid resection necessity. In these patients, iPTH levels were monitored intraoperatively. Confirmation criteria for iPTH values were a return to normal level or a decrease >50 % of basal iPTH level. RESULTS: There were 197 PHP operations during the study period: 118 MIP and 79 bilateral neck explorations (BNEs). The MIP success rate was 95 % (112/118) with a preoperative MIBI scan ± CT accurate in 94 % (111/118) of the patients and with correct iPTH in 90 % (106/118) of the cases. Among the 12 iPTH levels that did not meet the confirmation criteria, 10 returned to normal range by postoperative day 2. Treatment failure appeared in three patients (one BNE, two MIPs). CONCLUSIONS: Tc-99m-MIBI dual-phase scintigraphy with SPECT/CT is the key examination for functional and morphological parathyroid adenoma localization. If preoperative scintigraphy is obvious and intraoperative assessment is clear, one could possibly safely omit iPTH, as it may lead to unnecessary BNE in primary PHP.

Robotic-Assisted Surgery Improves the Quality of Total Mesorectal Excision for Rectal Cancer Compared to Laparoscopy: Results of a Case-Controlled Analysis.

BACKGROUND: The use of a robotic surgical system is claimed to allow precise traction and counter-traction, especially in a narrow pelvis. Whether this translates to improvement of the quality of the resected specimen is not yet clear. The aim of the study was to compare the quality of the TME and the short-term oncological outcome between robotic and laparoscopic rectal cancer resections. METHODS: 20 consecutive robotic TME performed in a single institution for rectal cancer (Rob group) were matched 1:2 to 40 laparoscopic resections (Lap group) for gender, body mass index (BMI), and distance from anal verge on rigid proctoscopy. The quality of TME was assessed by 2 blinded and independent pathologists and reported according to international standardized guidelines. RESULTS: Both samples were well matched for gender, BMI (median 25.9 vs. 24.2 kg/m(2), p = 0.24), and level of the tumor (4.1 vs. 4.8 cm, p = 0.20). The quality of the TME was better in the Robotic group (complete TME: 95 vs. 55 %; p = 0.0003, nearly complete TME 5 vs. 37 %; p = 0.04, incomplete TME 0 vs. 8 %, p = 0.09). A trend for lower positive circumferential margin was observed in the Robotic group (10 vs. 25 %, p = 0.1). CONCLUSIONS: These results suggest that robotic-assisted surgery improves the quality of TME for rectal cancer. Whether this translates to better oncological outcome needs to be further investigated.