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.

Direct binding of peptides to MHC class I molecules on living cells. Analysis at the single cell level.

To directly assess the binding of exogenous peptides to cell surface-associated MHC class I molecules at the single cell level, we examined the possibility of combining the use of biotinylated peptide derivatives with an immunofluorescence detection system based on flow cytometry. Various biotinylated derivatives of the adenovirus 5 early region 1A peptide 234-243, an antigenic peptide recognized by CTL in the context of H-2Db, were first screened in functional assays for their ability to bind efficiently to Db molecules on living cells. Suitable peptide derivatives were then tested for their ability to generate positive fluorescence signals upon addition of phycoerythrin-labeled streptavidin to peptide derivative-bearing cells. Strong fluorescent staining of Db-expressing cells was achieved after incubation with a peptide derivative containing a biotin group at the C-terminus. Competition experiments using the unmodified parental peptide as well as unrelated peptides known to bind to Kd, Kb, or Db, respectively, established that binding of the biotinylated peptide to living cells was Db-specific. By using Con A blasts derived from different H-2 congenic mouse strains, it could be shown that the biotinylated peptide bound only to Db among > 20 class I alleles tested. Moreover, binding of the biotinylated peptide to cells expressing the Dbm13 and Dbm14 mutant molecules was drastically reduced compared to Db. Binding of the biotinylated peptide to freshly isolated Db+ cells was readily detectable, allowing direct assessment of the relative amount of peptide bound to distinct lymphocyte subpopulations by three-color flow cytometry. While minor differences between peripheral T and B cells could be documented, thymocytes were found to differ widely in their peptide binding activity. In all cases, these differences correlated positively with the differential expression of Db at the cell surface. Finally, kinetic studies at different temperatures strongly suggested that the biotinylated peptide first associated with Db molecules available constitutively at the cell surface and then with newly arrived Db molecules.

Treatment-dependent loss of polyfunctional CD8+ T-cell responses in HIV-infected kidney transplant recipients is associated with herpesvirus reactivation.

Antiretroviral-therapy has dramatically changed the course of HIV infection and HIV-infected (HIV(+)) individuals are becoming more frequently eligible for solid-organ transplantation. However, only scarce data are available on how immunosuppressive (IS) strategies relate to transplantation outcome and immune function. We determined the impact of transplantation and immune-depleting treatment on CD4+ T-cell counts, HIV-, EBV-, and Cytomegalovirus (CMV)-viral loads and virus-specific T-cell immunity in a 1-year prospective cohort of 27 HIV(+) kidney transplant recipients. While the results show an increasing breadth and magnitude of the herpesvirus-specific cytotoxic T-cell (CTL) response over-time, they also revealed a significant depletion of polyfunctional virus-specific CTL in individuals receiving thymoglobulin as a lymphocyte-depleting treatment. The disappearance of polyfunctional CTL was accompanied by virologic EBV-reactivation events, directly linking the absence of specific polyfunctional CTL to viral reactivation. The data provide first insights into the immune-reserve in HIV+ infected transplant recipients and highlight new immunological effects of thymoglobulin treatment. Long-term studies will be needed to assess the clinical risk associated with thymoglobulin treatment, in particular with regards to EBV-associated lymphoproliferative diseases.

New generation vaccine induces effective melanoma-specific CD8+ T cells in the circulation but not in the tumor site.

Although increasing evidence suggests that CTL are important to fight the development of some cancers, the frequency of detectable tumor-specific T cells is low in cancer patients, and these cells have generally poor functional capacities, compared with virus-specific CD8(+) T cells. The generation with a vaccine of potent CTL responses against tumor Ags therefore remains a major challenge. In the present study, ex vivo analyses of Melan-A-specific CD8(+) T cells following vaccination with Melan-A peptide and CpG oligodeoxynucleotides revealed the successful induction in the circulation of effective melanoma-specific T cells, i.e., with phenotypic and functional characteristics similar to those of CTL specific for immunodominant viral Ags. Nonetheless, the eventual impact on tumor development in vaccinated melanoma donors remained limited. The comprehensive study of vaccinated patient metastasis shows that vaccine-driven tumor-infiltrating lymphocytes, although activated, still differed in functional capacities compared with blood counterparts. This coincided with a significant increase of FoxP3(+) regulatory T cell activity within the tumor. The consistent induction of effective tumor-specific CD8(+) T cells in the circulation with a vaccine represents a major achievement; however, clinical benefit may not be achieved unless the tumor environment can be altered to enable CD8(+) T cell efficacy.

BTLA mediates inhibition of human tumor-specific CD8+ T cells that can be partially reversed by vaccination.

The function of antigen-specific CD8+ T cells, which may protect against both infectious and malignant diseases, can be impaired by ligation of their inhibitory receptors, which include CTL-associated protein 4 (CTLA-4) and programmed cell death 1 (PD-1). Recently, B and T lymphocyte attenuator (BTLA) was identified as a novel inhibitory receptor with structural and functional similarities to CTLA-4 and PD-1. BTLA triggering leads to decreased antimicrobial and autoimmune T cell responses in mice, but its functions in humans are largely unknown. Here we have demonstrated that as human viral antigen-specific CD8+ T cells differentiated from naive to effector cells, their surface expression of BTLA was gradually downregulated. In marked contrast, human melanoma tumor antigen-specific effector CD8+ T cells persistently expressed high levels of BTLA in vivo and remained susceptible to functional inhibition by its ligand herpes virus entry mediator (HVEM). Such persistence of BTLA expression was also found in tumor antigen-specific CD8+ T cells from melanoma patients with spontaneous antitumor immune responses and after conventional peptide vaccination. Remarkably, addition of CpG oligodeoxynucleotides to the vaccine formulation led to progressive downregulation of BTLA in vivo and consequent resistance to BTLA-HVEM-mediated inhibition. Thus, BTLA activation inhibits the function of human CD8+ cancer-specific T cells, and appropriate immunotherapy may partially overcome this inhibition.

Melan-A/MART-1-specific CD4 T cells in melanoma patients: identification of new epitopes and ex vivo visualization of specific T cells by MHC class II tetramers.

Over the past decade, many efforts have been made to identify MHC class II-restricted epitopes from different tumor-associated Ags. Melan-A/MART-1(26-35) parental or Melan-A/MART-1(26-35(A27L)) analog epitopes have been widely used in melanoma immunotherapy to induce and boost CTL responses, but only one Th epitope is currently known (Melan-A51-73, DRB1*0401 restricted). In this study, we describe two novel Melan-A/MART-1-derived sequences recognized by CD4 T cells from melanoma patients. These epitopes can be mimicked by peptides Melan-A27-40 presented by HLA-DRB1*0101 and HLA-DRB1*0102 and Melan-A25-36 presented by HLA-DQB1*0602 and HLA-DRB1*0301. CD4 T cell clones specific for these epitopes recognize Melan-A/MART-1+ tumor cells and Melan-A/MART-1-transduced EBV-B cells and recognition is reduced by inhibitors of the MHC class II presentation pathway. This suggests that the epitopes are naturally processed and presented by EBV-B cells and melanoma cells. Moreover, Melan-A-specific Abs could be detected in the serum of patients with measurable CD4 T cell responses specific for Melan-A/MART-1. Interestingly, even the short Melan-A/MART-1(26-35(A27L)) peptide was recognized by CD4 T cells from HLA-DQ6+ and HLA-DR3+ melanoma patients. Using Melan-A/MART-1(25-36)/DQ6 tetramers, we could detect Ag-specific CD4 T cells directly ex vivo in circulating lymphocytes of a melanoma patient. Together, these results provide the basis for monitoring of naturally occurring and vaccine-induced Melan-A/MART-1-specific CD4 T cell responses, allowing precise and ex vivo characterization of responding T cells.

ENaC activity in collecting ducts modulates NCC in cirrhotic mice.

Cirrhosis is a frequent and severe disease, complicated by renal sodium retention leading to ascites and oedema. A better understanding of the complex mechanisms responsible for renal sodium handling could improve clinical management of sodium retention. Our aim was to determine the importance of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) in collecting ducts in compensate and decompensate cirrhosis. Bile duct ligation was performed in control mice (CTL) and collecting duct-specific αENaC knockout (KO) mice, and ascites development, aldosterone plasma concentration, urinary sodium/potassium ratio and sodium transporter expression were compared. Disruption of ENaC in collecting ducts (CDs) did not alter ascites development, urinary sodium/potassium ratio, plasma aldosterone concentrations or Na,K-ATPase abundance in CCDs. Total αENaC abundance in whole kidney increased in cirrhotic mice of both genotypes and cleaved forms of α and γ ENaC increased only in ascitic mice of both genotypes. The sodium chloride cotransporter (NCC) abundance was lower in non-ascitic KO, compared to non-ascitic CTL, and increased when ascites appeared. In ascitic mice, the lack of αENaC in CDs induced an upregulation of total ENaC and NCC and correlated with the cleavage of ENaC subunits. This revealed compensatory mechanisms which could also take place when treating the patients with diuretics. These compensatory mechanisms should be considered for future development of therapeutic strategies.