Long-term persistence of immunity induced by OVA-coupled gas-filled microbubble vaccination partially protects mice against infection by OVA-expressing Listeria.

Vaccination aims at generating memory immune responses able to protect individuals against pathogenic challenges over long periods of time. Subunit vaccine formulations based on safe, but poorly immunogenic, antigenic entities must be combined with adjuvant molecules to make them efficient against infections. We have previously shown that gas-filled microbubbles (MB) are potent antigen-delivery systems. This study compares the ability of various ovalbumin-associated MB (OVA-MB) formulations to induce antigen-specific memory immune responses and evaluates long-term protection toward bacterial infections. When initially testing dendritic cells reactivity to MB constituents, palmitic acid exhibited the highest degree of activation. Subcutaneous immunization of naïve wild-type mice with the OVA-MB formulation comprising the highest palmitic acid content and devoid of PEG2000 was found to trigger the more pronounced Th1-type response, as reflected by robust IFN-γ and IL-2 production. Both T cell and antibody responses persisted for at least 6 months after immunization. At that time, systemic infection with OVA-expressing Listeria monocytgenes was performed. Partial protection of vaccinated mice was demonstrated by reduction of the bacterial load in both the spleen and liver. We conclude that antigen-bound MB exhibit promising properties as a vaccine candidate ensuring prolonged maintenance of protective immunity.

Functional impact of genetic variation on gene expression

Numerous links between genetic variants and phenotypes are known and genome-wide association studies dramatically increased the number of genetic variants associated with traits during the last decade. However, how changes in the DNA perturb the molecular mechanisms and impact on the phenotype of an organism remains elusive. Studies suggest that many traitassociated variants are in the non-coding region of the genome and probably act through regulation of gene expression. During my thesis I investigated how genetic variants affect gene expression through gene regulatory mechanisms. The first chapter was a collaborative project with a pharmaceutical company, where we investigated genome-wide copy number variation (CNVs) among Cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis) used in pharmaceutical studies, and associated them to changes in gene expression. We found substantial copy number variation and identified CNVs linked to tissue-specific expression changes of proximal genes. The second and third chapters focus on genetic variation in humans and its effects on gene regulatory mechanisms and gene expression. The second chapter studies two human trios, where the allelic effects of genetic variation on genome-wide gene expression, protein-DNA binding and chromatin modifications were investigated. We found abundant allele specific activity across all measured molecular phenotypes and show extended coordinated behavior among them. In the third chapter, we investigated the impact of genetic variation on these phenotypes in 47 unrelated individuals. We found that chromatin phenotypes are organized into local variable modules, often linked to genetic variation and gene expression. Our results suggest that chromatin variation emerges as a result of perturbations of cis-regulatory elements by genetic variants, leading to gene expression changes. The work of this thesis provides novel insights into how genetic variation impacts gene expression by perturbing regulatory mechanisms. -- De nombreux liens entre variations génétiques et phénotypes sont connus. Les études d'association pangénomique ont considérablement permis d'augmenter le nombre de variations génétiques associées à des phénotypes au cours de la dernière décennie. Cependant, comprendre comment ces changements perturbent les mécanismes moléculaires et affectent le phénotype d'un organisme nous échappe encore. Des études suggèrent que de nombreuses variations, associées à des phénotypes, sont situées dans les régions non codantes du génome et sont susceptibles d'agir en modifiant la régulation d'expression des gènes. Au cours de ma thèse, j'ai étudié comment les variations génétiques affectent les niveaux d'expression des gènes en perturbant les mécanismes de régulation de leur expression. Le travail présenté dans le premier chapitre est un projet en collaboration avec une société pharmaceutique. Nous avons étudié les variations en nombre de copies (CNV) présentes chez le macaque crabier (Macaca fascicularis) qui est utilisé dans les études pharmaceutiques, et nous les avons associées avec des changements d'expression des gènes. Nous avons découvert qu'il existe une variabilité substantielle du nombre de copies et nous avons identifié des CNVs liées aux changements d'expression des gènes situés dans leur voisinage. Ces associations sont présentes ou absentes de manière spécifique dans certains tissus. Les deuxième et troisième chapitres se concentrent sur les variations génétiques dans les populations humaines et leurs effets sur les mécanismes de régulation des gènes et leur expression. Le premier se penche sur deux trios humains, père, mère, enfant, au sein duquel nous avons étudié les effets alléliques des variations génétiques sur l'expression des gènes, les liaisons protéine-ADN et les modifications de la chromatine. Nous avons découvert que l'activité spécifique des allèles est abondante abonde dans tous ces phénotypes moléculaires et nous avons démontré que ces derniers ont un comportement coordonné entre eux. Dans le second, nous avons examiné l'impact des variations génétiques de ces phénotypes moléculaires chez 47 individus, sans lien de parenté. Nous avons observé que les phénotypes de la chromatine sont organisés en modules locaux, qui sont liés aux variations génétiques et à l'expression des gènes. Nos résultats suggèrent que la variabilité de la chromatine est due à des variations génétiques qui perturbent des éléments cis-régulateurs, et peut conduire à des changements dans l'expression des gènes. Le travail présenté dans cette thèse fournit de nouvelles pistes pour comprendre l'impact des différentes variations génétiques sur l'expression des gènes à travers les mécanismes de régulation.

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.

The role of Notch in the differentiation of CD4⁺ T helper cells.

CD4⁺ T helper cells are playing critical roles in host defense to pathogens and in the maintenance of immune homeostasis. Naïve CD4⁺T cells, upon antigen-specific recognition, receive signals to differentiate into distinct effector T helper cell subsets characterized by their pattern of cytokine production and specific immune functions. A tight balance between these different subsets ensures proper control of the immune response. There is increasing evidence revealing an important role for Notch signaling in the regulation of CD4⁺T helper cell differentiation or function in the periphery. However, the exact mechanisms involved remain unclear and appear contradictory. In this review, we summarize current knowledge and discuss recent advances in the field to reconcile different views on the role of Notch signaling in the differentiation of functional T helper subsets.

B and T lymphocyte attenuator regulates CD8+ T cell-intrinsic homeostasis and memory cell generation.

B and T lymphocyte attenuator (BTLA) is a negative regulator of T cell activation, but its function in vivo is not well characterized. Here we show that mice deficient in full-length BTLA or its ligand, herpesvirus entry mediator, had increased number of memory CD8(+) T cells. The memory CD8(+) T cell phenotype resulted from a T cell-intrinsic perturbation of the CD8(+) T cell pool. Naive BTLA-deficient CD8(+) T cells were more efficient than wild-type cells at generating memory in a competitive antigen-specific system. This effect was independent of the initial expansion of the responding antigen-specific T cell population. In addition, BTLA negatively regulated antigen-independent homeostatic expansion of CD4(+) and CD8(+) T cells. These results emphasize two central functions of BTLA in limiting T cell activity in vivo.

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.

Transplantation tolerance induced by regulatory T cells: in vivo mechanisms and sites of action.

The mechanisms by which CD4(+)CD25(+)Foxp3(+) T (Treg) cells regulate effector T cells in a transplantation setting and their in vivo homeostasis still remain to be clarified. Using a mouse adoptive transfer model, we analyzed the in vivo expansion, trafficking, and effector function of alloreactive T cells and donor-specific Treg cells, in response to a full-thickness skin allograft. Fluorescent-labeled CD4(+)CD25(-) and antigen-specific Treg cells were transferred alone or co-injected into syngeneic BALB/c-Nude recipients transplanted with skins from (C57BL/6 x BALB/c) F1 donors. Treg cells divided in vivo, migrated and accumulated in the allograft draining lymph nodes as well as within the graft. The co-transfer of Treg cells did not modify the early activation and homing of CD4(+)CD25(-) T cells in secondary lymphoid organs. However, in the presence of Treg cells, alloreactive CD4(+)CD25(-) T cells produced significantly less IFN-gamma and were present in reduced numbers in the secondary lymphoid organs. Furthermore, time-course studies showed that Treg cells were recruited into the allograft at a very early stage after transplantation and effectively prevented the infiltration of effector T cells. In conclusion, suppression of rejection requires the early recruitment to the site of antigenic challenge of donor-specific Treg cells, which then mainly regulate the effector arm of T cell alloresponses.

An optimized method for establishing high purity murine CD8+ T cell cultures.

Establishing CD8(+) T cell cultures has been empirical and the published methods have been largely individual laboratory based. In this study, we optimized culturing conditions and show that IL-2 concentration is the most critical factor for the success of establishing CD8(+) T cell cultures. High IL-2 concentration encouraged T cells to non-specifically proliferate, express a B cell marker, B220, and undergo apoptosis. These cells also lose typical irregular T cell morphology and are incapable of sustaining long-term cultures. Using tetramer and intracellular cytokine assessments, we further demonstrated that many antigen-specific T cells have been rendered nonfunctional when expanded under high IL-2 concentration. When IL-2 is used in the correct range, B220-mediated cell depletion greatly enhanced the success rate of such T cell cultures.

Separate neuronal and glial Na+,K+-ATPase isoforms regulate glucose utilization in response to membrane depolarization and elevated extracellular potassium.

The role of cell type-specific Na+,K+-ATPase isozymes in function-related glucose metabolism was studied using differentiated rat brain cell aggregate cultures. In mixed neuron-glia cultures, glucose utilization, determined by measuring the rate of radiolabeled 2-deoxyglucose accumulation, was markedly stimulated by the voltage-dependent sodium channel agonist veratridine (0.75 micromol/L), as well as by glutamate (100 micromol/L) and the ionotropic glutamate receptor agonist N-methyl-D-aspartate (NMDA) (10 micromol/L). Significant stimulation also was elicited by elevated extracellular potassium (12 mmol/L KCl), which was even more pronounced at 30 mmol/L KCl. In neuron-enriched cultures, a similar stimulation of glucose utilization was obtained with veratridine, specific ionotropic glutamate receptor agonists, and 30 mmol/L but not 12 mmol/L KCl. The effects of veratridine, glutamate, and NMDA were blocked by specific antagonists (tetrodotoxin, CNQX, or MK801, respectively). Low concentrations of ouabain (10(-6) mol/L) prevented stimulation by the depolarizing agents but reduced only partially the response to 12 mmol/L KCl. Together with previous data showing cell type-specific expression of Na+,K+-ATPase subunit isoforms in these cultures, the current results support the view that distinct isoforms of Na+,K+-ATPase regulate glucose utilization in neurons in response to membrane depolarization, and in glial cells in response to elevated extracellular potassium.

Defining the site of light perception and initiation of phototropism in Arabidopsis.

Phototropism is an adaptive response allowing plants to optimize photosynthetic light capture. This is achieved by asymmetric growth between the shaded and lit sides of the stimulated organ. In grass seedlings, the site of phototropin-mediated light perception is distinct from the site of bending; however, in dicotyledonous plants (e.g., Arabidopsis), spatial aspects of perception remain debatable. We use morphological studies and genetics to show that phototropism can occur in the absence of the root, lower hypocotyl, hypocotyl apex, and cotyledons. Tissue-specific expression of the phototropin1 (phot1) photoreceptor demonstrates that light sensing occurs in the upper hypocotyl and that expression of phot1 in the hypocotyl elongation zone is sufficient to enable a normal phototropic response. Moreover, we show that efficient phototropism occurs when phot1 is expressed from endodermal, cortical, or epidermal cells and that its local activation rapidly leads to a global response throughout the seedling. We propose that spatial aspects in the steps leading from light perception to growth reorientation during phototropism differ between grasses and dicots. These results are important to properly interpret genetic experiments and establish a model connecting light perception to the growth response, including cellular and morphological aspects.

Assessing ageing of individual T lymphocytes: mission impossible?

Effector T lymphocytes are the progeny of a limited number of antigen-specific precursor cells and it has been estimated that clonotypic human T cells may expand million fold on their way reaching high cell numbers that are sufficient for immune protection. Moreover, memory T cell responses are characterized by repetitive expansion of antigen-specific T cell clonotypes, and limitations in the proliferative capacity could lead to immune senescence. Because telomeres progressively shorten as a function of cell division, telomere length is a powerful indicator of the replicative in vivo history of human T lymphocytes. In this review, we summarize observations made over the last decade on telomere length dynamics of well-defined T cell populations derived from healthy donors and patients with infectious disease or cancer. We focus on T cell differentiation, T cell ageing, and natural and vaccine induced immune responses. We also discuss the scientific evidence for in vivo replicative senescence of antigen-specific T cells, and evaluate the available methods for measuring telomere lengths and telomerase activity, and their potential and limitations to increase our understanding of T cell physiology.

Genome-wide association and genetic functional studies identify autism susceptibility candidate 2 gene (AUTS2) in the regulation of alcohol consumption.

Alcohol consumption is a moderately heritable trait, but the genetic basis in humans is largely unknown, despite its clinical and societal importance. We report a genome-wide association study meta-analysis of ∼2.5 million directly genotyped or imputed SNPs with alcohol consumption (gram per day per kilogram body weight) among 12 population-based samples of European ancestry, comprising 26,316 individuals, with replication genotyping in an additional 21,185 individuals. SNP rs6943555 in autism susceptibility candidate 2 gene (AUTS2) was associated with alcohol consumption at genome-wide significance (P = 4 × 10(-8) to P = 4 × 10(-9)). We found a genotype-specific expression of AUTS2 in 96 human prefrontal cortex samples (P = 0.026) and significant (P < 0.017) differences in expression of AUTS2 in whole-brain extracts of mice selected for differences in voluntary alcohol consumption. Down-regulation of an AUTS2 homolog caused reduced alcohol sensitivity in Drosophila (P < 0.001). Our finding of a regulator of alcohol consumption adds knowledge to our understanding of genetic mechanisms influencing alcohol drinking behavior.

Importance of influx and efflux systems and xenobiotic metabolizing enzymes in intratumoral disposition of anticancer agents.

In this review, intratumoral drug disposition will be integrated into the wide range of resistance mechanisms to anticancer agents with particular emphasis on targeted protein kinase inhibitors. Six rules will be established: 1. There is a high variability of extracellular/intracellular drug level ratios; 2. There are three main systems involved in intratumoral drug disposition that are composed of SLC, ABC and XME enzymes; 3. There is a synergistic interplay between these three systems; 4. In cancer subclones, there is a strong genomic instability that leads to a highly variable expression of SLC, ABC or XME enzymes; 5. Tumor-expressed metabolizing enzymes play a role in tumor-specific ADME and cell survival and 6. These three systems are involved in the appearance of resistance (transient event) or in the resistance itself. In addition, this article will investigate whether the overexpression of some ABC and XME systems in cancer cells is just a random consequence of DNA/chromosomal instability, hypo- or hypermethylation and microRNA deregulation, or a more organized modification induced by transposable elements. Experiments will also have to establish if these tumor-expressed enzymes participate in cell metabolism or in tumor-specific ADME or if they are only markers of clonal evolution and genomic deregulation. Eventually, the review will underline that the fate of anticancer agents in cancer cells should be more thoroughly investigated from drug discovery to clinical studies. Indeed, inhibition of tumor expressed metabolizing enzymes could strongly increase drug disposition, specifically in the target cells resulting in more efficient therapies.

Microtubule-depolymerizing agents used in antibody-drug conjugates induce antitumor immunity by stimulation of dendritic cells.

Antibody-drug conjugates (ADC) are emerging as powerful treatment strategies with outstanding target-specificity and high therapeutic activity in patients with cancer. Brentuximab vedotin represents a first-in-class ADC directed against CD30(+) malignancies. We hypothesized that its sustained clinical responses could be related to the stimulation of an anticancer immune response. In this study, we demonstrate that the dolastatin family of microtubule inhibitors, from which the cytotoxic component of brentuximab vedotin is derived, comprises potent inducers of phenotypic and functional dendritic cell (DC) maturation. In addition to the direct cytotoxic effect on tumor cells, dolastatins efficiently promoted antigen uptake and migration of tumor-resident DCs to the tumor-draining lymph nodes. Exposure of murine and human DCs to dolastatins significantly increased their capacity to prime T cells. Underlining the requirement of an intact host immune system for the full therapeutic benefit of dolastatins, the antitumor effect was far less pronounced in immunocompromised mice. We observed substantial therapeutic synergies when combining dolastatins with tumor antigen-specific vaccination or blockade of the PD-1-PD-L1 and CTLA-4 coinhibitory pathways. Ultimately, treatment with ADCs using dolastatins induces DC homing and activates cellular antitumor immune responses in patients. Our data reveal a novel mechanism of action for dolastatins and provide a strong rationale for clinical treatment regimens combining dolastatin-based therapies, such as brentuximab vedotin, with immune-based therapies. Cancer Immunol Res; 2(8); 741-55. ©2014 AACR.

Rapid and strong human CD8+ T cell responses to vaccination with peptide, IFA, and CpG oligodeoxynucleotide 7909.

The induction of potent CD8+ T cell responses by vaccines to fight microbes or tumors remains a major challenge, as many candidates for human vaccines have proved to be poorly immunogenic. Deoxycytidyl-deoxyguanosin oligodeoxynucleotides (CpG ODNs) trigger Toll-like receptor 9, resulting in dendritic cell maturation that can enhance immunogenicity of peptide-based vaccines in mice. We tested whether a synthetic ODN, CpG 7909, could improve human tumor antigen-specific CD8+ T cell responses. Eight HLA-A2+ melanoma patients received 4 monthly vaccinations of low-dose CpG 7909 mixed with melanoma antigen A (Melan-A; identical to MART-1) analog peptide and incomplete Freund's adjuvant. All patients exhibited rapid and strong antigen-specific T cell responses: the frequency of Melan-A-specific T cells reached over 3% of circulating CD8+ T cells. This was one order of magnitude higher than the frequency seen in 8 control patients treated similarly but without CpG and 1-3 orders of magnitude higher than that seen in previous studies with synthetic vaccines. The enhanced T cell populations consisted primarily of effector memory cells, which in part secreted IFN- and expressed granzyme B and perforin ex vivo. In vitro, T cell clones recognized and killed melanoma cells in an antigen-specific manner. Thus, CpG 7909 is an efficient vaccine adjuvant that promotes strong antigen-specific CD8+ T cell responses in humans.