Single cell tuning of Myc expression by antigen receptor signal strength and interleukin-2 in T lymphocytes.

Myc controls the metabolic reprogramming that supports effector T cell differentiation. The expression of Myc is regulated by the T cell antigen receptor (TCR) and pro-inflammatory cytokines such as interleukin-2 (IL-2). We now show that the TCR is a digital switch for Myc mRNA and protein expression that allows the strength of the antigen stimulus to determine the frequency of T cells that express Myc. IL-2 signalling strength also directs Myc expression but in an analogue process that fine-tunes Myc quantity in individual cells via post-transcriptional control of Myc protein. Fine-tuning Myc matters and is possible as Myc protein has a very short half-life in T cells due to its constant phosphorylation by glycogen synthase kinase 3 (GSK3) and subsequent proteasomal degradation. We show that Myc only accumulates in T cells exhibiting high levels of amino acid uptake allowing T cells to match Myc expression to biosynthetic demands. The combination of digital and analogue processes allows tight control of Myc expression at the population and single cell level during immune responses.

Molecular profiling of CD8 T cells in autochthonous melanoma identifies Maf as driver of exhaustion.

T cells infiltrating neoplasms express surface molecules typical of chronically virus-stimulated T cells, often termed "exhausted" T cells. We compared the transcriptome of "exhausted" CD8 T cells infiltrating autochthonous melanomas to those of naïve and acutely stimulated CD8 T cells. Despite strong similarities between transcriptional signatures of tumor- and virus-induced exhausted CD8 T cells, notable differences appeared. Among transcriptional regulators, Nr4a2 and Maf were highly overexpressed in tumor-exhausted T cells and significantly upregulated in CD8 T cells from human melanoma metastases. Transduction of murine tumor-specific CD8 T cells to express Maf partially reproduced the transcriptional program associated with tumor-induced exhaustion. Upon adoptive transfer, the transduced cells showed normal homeostasis but failed to accumulate in tumor-bearing hosts and developed defective anti-tumor effector responses. We further identified TGFβ and IL-6 as main inducers of Maf expression in CD8 T cells and showed that Maf-deleted tumor-specific CD8 T cells were much more potent to restrain tumor growth in vivo. Therefore, the melanoma microenvironment contributes to skewing of CD8 T cell differentiation programs, in part by TGFβ/IL-6-mediated induction of Maf.

Synergy of Radiotherapy and a Cancer Vaccine for the Treatment of HPV-Associated Head and Neck Cancer.

There is growing interest in the association of radiotherapy and immunotherapy for the treatment of solid tumors. Here, we report an extremely effective combination of local irradiation (IR) and Shiga Toxin B (STxB)-based human papillomavirus (HPV) vaccination for the treatment of HPV-associated head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). The efficacy of the irradiation and vaccine association was tested using a model of HNSCC obtained by grafting TC-1/luciferase cells at a submucosal site of the inner lip of immunocompetent mice. Irradiation and the STxB-E7 vaccine acted synergistically with both single and fractionated irradiation schemes, resulting in complete tumor clearance in the majority of the treated mice. A dose threshold of 7.5 Gy was required to elicit the dramatic antitumor response. The combined treatment induced high levels of tumor-infiltrating, antigen-specific CD8(+) T cells, which were required to trigger the antitumor activity. Treatment with STxB-E7 and irradiation induced CD8(+) T-cell memory, which was sufficient to exert complete antitumor responses in both local recurrences and distant metastases. We also report for the first time that a combination therapy based on local irradiation and vaccination induces an increased pericyte coverage (as shown by αSMA and NG2 staining) and ICAM-1 expression on vessels. This was associated with enhanced intratumor vascular permeability that correlated with the antitumor response, suggesting that the combination therapy could also act through an increased accessibility for immune cells. The combination strategy proposed here offers a promising approach that could potentially be transferred into early-phase clinical trials.

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.

Valeur diagnostique du rapport CD103+CD4+/CD4+ pour différencier la sarcoïdose d'autres causes de lymphocytose alvéolaire.

Introduction: CD103 is a specific integrin present on some CD4+ lymphocytes of the mucosal immune system. It has been hypothesized that most CD4+ lymphocytes in pulmonary sarcoidosis do not originate from mucosal sites but from redistribution from the peripheral blood, and therefore do not bear the CD103 integrin. Several studies have suggested that a low CD103+ percentage among bronchoalveolar lavage (BAL) CD4+ lymphocytes discriminates between sarcoidosis and other causes of lymphocytic alveolitis, but contradictory data exist. Methods: We reviewed 1151 consecutive patients with BAL lymphocytosis >10% and flow cytometry performed between 2006 and 2014. 944 cases were excluded due to poor BAL quality (n= 97), unavailable clinical data (n= 760), or unclear diagnosis (n= 87). The remaining 207 patients were grouped into 9 diagnostic categories. To assess the discriminative value of the CD103+CD4+/CD4+ ratio to distinguish sarcoidosis from the other entities, area under ROC curves (AUC) were determined. Results: Sarcoidosis patients (n=53) had a lower CD103+CD4+/CD4+ ratio than the other diagnostic categories. AUC was 62% for sarcoidosis compared to all other patients and 69% for sarcoidosis compared to other interstitial lung diseases. When combining CD103+CD4+/CD4+ and CD4+/CD8+ ratios, AUC increased to 76% and 78% respectively. When applying published cut-offs from 4 previous studies to our population, AUC varied between 54 and 73%. Conclusions: The CD103+CD4+/CD4+ ratio does not accurately discriminate between sarcoidosis and other causes of lymphocytic alveolitis, neither alone nor in combination with CD4+/CD8+ ratio, and is not a relevant marker for the diagnosis of sarcoidosis.

Spinal Cord T-Cell Infiltration in the Rat Spared Nerve Injury Model: A Time Course Study.

The immune system is involved in the development of neuropathic pain. In particular, the infiltration of T-lymphocytes into the spinal cord following peripheral nerve injury has been described as a contributor to sensory hypersensitivity. We used the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain in Sprague Dawley adult male rats to assess proliferation, and/or protein/gene expression levels for microglia (Iba1), T-lymphocytes (CD2) and cytotoxic T-lymphocytes (CD8). In the dorsal horn ipsilateral to SNI, Iba1 and BrdU stainings revealed microglial reactivity and proliferation, respectively, with different durations. Iba1 expression peaked at D4 and D7 at the mRNA and protein level, respectively, and was long-lasting. Proliferation occurred almost exclusively in Iba1 positive cells and peaked at D2. Gene expression observation by RT-qPCR array suggested that T-lymphocytes attracting chemokines were upregulated after SNI in rat spinal cord but only a few CD2/CD8 positive cells were found. A pronounced infiltration of CD2/CD8 positive T-cells was seen in the spinal cord injury (SCI) model used as a positive control for lymphocyte infiltration. Under these experimental conditions, we show early and long-lasting microglia reactivity in the spinal cord after SNI, but no lymphocyte infiltration was found.