An infrared spectral signature of human lymphocyte subpopulations from peripheral blood.

Metastatic melanomas are frequently refractory to most adjuvant therapies such as chemotherapies and radiotherapies. Recently, immunotherapies have shown good results in the treatment of some metastatic melanomas. Immune cell infiltration in the tumor has been associated with successful immunotherapy. More generally, tumor infiltrating lymphocytes (TILs) in the primary tumor and in metastases of melanoma patients have been demonstrated to correlate positively with favorable clinical outcomes. Altogether, these findings suggest the importance of being able to identify, quantify and characterize immune infiltration at the tumor site for a better diagnostic and treatment choice. In this paper, we used Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify and quantify different subpopulations of T cells: the cytotoxic T cells (CD8+), the helper T cells (CD4+) and the regulatory T cells (T reg). As a proof of concept, we investigated pure populations isolated from human peripheral blood from 6 healthy donors. These subpopulations were isolated from blood samples by magnetic labeling and purities were assessed by Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS). The results presented here show that Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging followed by supervised Partial Least Square Discriminant Analysis (PLS-DA) allows an accurate identification of CD4+ T cells and CD8+ T cells (>86%). We then developed a PLS regression allowing the quantification of T reg in a different mix of immune cells (e.g. Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMCs)). Altogether, these results demonstrate the sensitivity of infrared imaging to detect the low biological variability observed in T cell subpopulations.

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.

Transmission Fourier transform infrared microspectroscopy allows simultaneous assessment of cutin and cell-wall polysaccharides of Arabidopsis petals.

A procedure for the simultaneous analysis of cell-wall polysaccharides, amides and aliphatic polyesters by transmission Fourier transform infrared microspectroscopy (FTIR) has been established for Arabidopsis petals. The combination of FTIR imaging with spectra derivatization revealed that petals, in contrast to other organs, have a characteristic chemical zoning with high amount of aliphatic compounds and esters in the lamina and of polysaccharides in the stalk of the petal. The hinge region of petals was particular rich in amides as well as in vibrations potentially associated with hemicellulose. In addition, a number of other distribution patterns have been identified. Analyses of mutants in cutin deposition confirmed that vibrations of aliphatic compounds and esters present in the lamina were largely associated with the cuticular polyester. Calculation of spectrotypes, including the standard deviation of intensities, allowed detailed comparison of the spectral features of various mutants. The spectrotypes not only revealed differences in the amount of polyesters in cutin mutants, but also changes in other compound classes. For example, in addition to the expected strong deficiencies in polyester content, the long-chain acyl CoA synthase 2 mutant showed increased intensities of vibrations in a wavelength range that is typical for polysaccharides. Identical spectral features were observed in quasimodo2, a cell-wall mutant of Arabidopsis with a defect in pectin formation that exhibits increased cellulose synthase activity. FTIR thus proved to be a convenient method for the identification and characterization of mutants affected in the deposition of cutin in petals.

Fingermark initial composition and aging using Fourier transform infrared microscopy (μ-FTIR)

This study investigated fingermark residues using Fourier transform infrared microscopy (μ- FTIR) in order to obtain fundamental information about the marks' initial composition and aging kinetics. This knowledge would be an asset for fundamental research on fingermarks, such as for dating purposes. Attenuated Total Reflection (ATR) and single-point reflection modes were tested on fresh fingermarks. ATR proved to be better suited and this mode was subsequently selected for further aging studies. Eccrine and sebaceous material was found in fresh and aged fingermarks and the spectral regions 1000-1850 cm-1 and 2700-3600 cm-1 were identified as the most informative. The impact of substrates (aluminium and glass slides) and storage conditions (storage in the light and in the dark) on fingermark aging was also studied. Chemometric analyses showed that fingermarks could be grouped according to their age regardless of the substrate when they were stored in an open box kept in an air-conditioned laboratory at around 20°C next to a window. On the contrary, when fingermarks were stored in the dark, only specimens deposited on the same substrate could be grouped by age. Thus, the substrate appeared to influence aging of fingermarks in the dark. Furthermore, PLS regression analyses were conducted in order to study the possibility of modelling fingermark aging for potential fingermark dating applications. The resulting models showed an overall precision of ±3 days and clearly demonstrated their capability to differentiate older fingermarks (20 and 34-days old) from newer ones (1, 3, 7 and 9-days old) regardless of the substrate and lighting conditions. These results are promising from a fingermark dating perspective. Further research is required to fully validate such models and assess their robustness and limitations in uncontrolled casework conditions.

The application of chemometrics on Infrared and Raman spectra as a tool for the forensic analysis of paints

The aim of this work is to evaluate the capabilities and limitations of chemometric methods and other mathematical treatments applied on spectroscopic data and more specifically on paint samples. The uniqueness of the spectroscopic data comes from the fact that they are multivariate - a few thousands variables - and highly correlated. Statistical methods are used to study and discriminate samples. A collection of 34 red paint samples was measured by Infrared and Raman spectroscopy. Data pretreatment and variable selection demonstrated that the use of Standard Normal Variate (SNV), together with removal of the noisy variables by a selection of the wavelengths from 650 to 1830 cm−1 and 2730-3600 cm−1, provided the optimal results for infrared analysis. Principal component analysis (PCA) and hierarchical clusters analysis (HCA) were then used as exploratory techniques to provide evidence of structure in the data, cluster, or detect outliers. With the FTIR spectra, the Principal Components (PCs) correspond to binder types and the presence/absence of calcium carbonate. 83% of the total variance is explained by the four first PCs. As for the Raman spectra, we observe six different clusters corresponding to the different pigment compositions when plotting the first two PCs, which account for 37% and 20% respectively of the total variance. In conclusion, the use of chemometrics for the forensic analysis of paints provides a valuable tool for objective decision-making, a reduction of the possible classification errors, and a better efficiency, having robust results with time saving data treatments.

Relating the permeability of quartz sands to their grain size and spectral induced polarization characteristics

Recently, Revil & Florsch proposed a novel mechanistic model based on the polarization of the Stern layer relating the permeability of granular media to their spectral induced polarization (SIP) characteristics based on the formation of polarized cells around individual grains. To explore the practical validity of this model, we compare it to pertinent laboratory measurements on samples of quartz sands with a wide range of granulometric characteristics. In particular, we measure the hydraulic and SIP characteristics of all samples both in their loose, non-compacted and compacted states, which might allow for the detection of polarization processes that are independent of the grain size. We first verify the underlying grain size/permeability relationship upon which the model of Revil & Florsch is based and then proceed to compare the observed and predicted permeability values for our samples by substituting the grain size characteristics by corresponding SIP parameters, notably the so-called Cole-Cole time constant. In doing so, we also asses the quantitative impact of an observed shift in the Cole-Cole time constant related to textural variations in the samples and observe that changes related to the compaction of the samples are not relevant for the corresponding permeability predictions. We find that the proposed model does indeed provide an adequate prediction of the overall trend of the observed permeability values, but underestimates their actual values by approximately one order-of-magnitude. This discrepancy in turn points to the potential importance of phenomena, which are currently not accounted for in the model and which tend to reduce the characteristic size of the prevailing polarization cells compared to the considered model, such as, for example, membrane polarization, contacts of double-layers of neighbouring grains, and incorrect estimation of the size of the polarized cells because of the irregularity of natural sand grains.

An infrared reflection-absorption spectroscopic (IRRAS) study of the interaction of lipid A and lipopolysaccharide Re with endotoxin-binding proteins.

Lipopolysaccharides (LPS, endotoxins) are main constituents of the outer membranes of Gram-negative bacteria, with the 'endotoxic principle' lipid A anchoring LPS into the membrane. When LPS is removed from the bacteria by the action of the immune system or simply by cell dividing, it may interact strongly with immunocompetent cells such as mononuclear cells. This interaction may lead, depending on the LPS concentration, to beneficial (at low) or pathophysiological (at high concentrations) reactions, the latter frequently causing the septic shock syndrome. There is a variety of endogenous LPS-binding proteins. To this class belong lactoferrin (LF) and hemoglobin (Hb), which have been shown to suppress and enhance the LPS-induced cytokine secretion in mononuclear cells, respectively. To elucidate the interaction mechanisms of endotoxins with these proteins, we have investigated in an infrared reflection-absorption spectroscopy (IRRAS) study the interaction of LPS or lipid A monolayers at the air/water interface with LF and Hb proteins, injected into the aqueous subphase. The data are clearly indicative of completely different interaction mechanisms of the endotoxins with the proteins, with the LF acting only at the LPS backbone, whereas Hb incorporates into the lipid monolayer. These data allow an understanding of the different reactivities in the biomedicinal systems.

Continuous monitoring of liver oxygenation with near infrared spectroscopy during naso-gastric tube feeding in neonates.

Near infrared spectroscopy (NIRS) is a non-invasive method of estimating the haemoglobin concentration changes in certain tissues. It is frequently used to monitor oxygenation of the brain in neonates. At present it is not clear whether near infrared spectroscopy of other organs (e.g. the liver as a corresponding site in the splanchnic region, which reacts very sensitively to haemodynamic instability) provides reliable values on their tissue oxygenation. The aim of the study was to test near infrared spectroscopy by measuring known physiologic changes in tissue oxygenation of the liver in newborn infants during and after feeding via a naso-gastric tube. The test-retest variability of such measurements was also determined. On 28 occasions in 25 infants we measured the tissue oxygenation index (TOI) of the liver and the brain continuously before, during and 30 minutes after feeding via a gastric tube. Simultaneously we measured arterial oxygen saturation (SaO2), heart rate (HR) and mean arterial blood pressure (MAP). In 10 other newborn infants we performed a test-retest analysis of the liver tissue oxygenation index to estimate the variability in repeated intra-individual measurements. The tissue oxygenation index of the liver increased significantly from 56.7 +/- 7.5% before to 60.3 +/- 5.6% after feeding (p < 0.005), and remained unchanged for the next 30 minutes. The tissue oxygenation index of the brain (62.1 +/- 9.7%), SaO2 (94.4 +/- 7.1%), heart rate (145 +/- 17.3 min-1) and mean arterial blood pressure (52.8 +/- 10.2 mm Hg) did not change significantly. The test-retest variability for intra-individual measurements was 2.7 +/- 2.1%. After bolus feeding the tissue oxygenation index of the liver increased as expected. This indicates that near infrared spectroscopy is suitable for monitoring changes in tissue oxygenation of the liver in newborn infants.

Water-filtered infrared-A radiation (wIRA) is not implicated in cellular degeneration of human skin

Rapport de synthèse : Introduction : le vieillissement cutané est un processus biologique complexe auquel participe une exposition excessive au rayonnement ultraviolet du soleil. En particulier, les longueurs d'onde des rayons ultraviolets A et B (UV-A et UV-B) peuvent induire une augmentation de la synthèse de protéases, comme la métalloprotéinase matricielle 1 (MMP-1), qui est impliquée dans le processus de vieillissement. La thermothérapie par infrarouges, dont les longueurs d'onde sont plus longues que celles des UV, est largement utilisée à des fins thérapeutiques ou cosmétiques. Or, il a été démontré que les infrarouges en filtration aqueuse (IRFA) pouvaient induire une augmentation de la production de MMP-1 et par conséquent être nocifs. Il serait donc intéressant d'évaluer les effets des IRFA au niveau cellulaire et moléculaire. But Expérimental : étudier les effets des lampes à infrarouges en filtration aqueuse utilisées en clinique sur des fibroblastes cutanés humains en culture, afin d'analyser l'expression du gène codant pour la protéine MMP-1. Méthode : des fibroblastes cutanés humain ont été irradiés d'une part avec approximativement 88% d'IRFA (780-1400 nm) et 12% de lumière rouge (LR, 665-780 nm) avec 380 mW/cm2 IRFA(+LR) (333 mW/cm2 IRFA) et d'autre part avec des UV-A comme contrôle. Des courbes de survie cellulaire ont été établies après une exposition allant de 15 minutes à 8 heures au IRFA(+LR) (340-10880 J/cm2 wIRA(+RL), 300-9600 J/cm2 wIRA) ou de 15 à 45 minutes aux UV-A(+BL) (25-75 J/cm2 UV-A(+BL). L'induction de l'ARNm du gène de la MMP-1 a été analysé dans les fibroblastes cutanés humain à deux températures physiologiques (30°C et 37°C) lors d'expositions uniques de 15 à 60 minutes aux IRFA(+LR) (340-1360 J/cm2 IRFA(+LR), 300-1200 J/cm2 IRFA) ou de 30 minutes aux UV-A(+BL) (50 J/cm2 UVA(+BL)). De plus, nous avons effectué des irradiations répétées, une a chaque passage cellulaire jusqu'au passage. 10 de 15 minutes d'IRFA(+LR) 340 J/cm2 IRFA(+LR), 300 J/cm2 IRFA) . Résultats : une exposition unique aux UV-A (+BL) entraîne chez des fibroblastes cutanés humains une augmentation de la mort cellulaire, ainsi qu'une forte augmentation de l'expression du gène codant pour la MMP-1. L'augmentation mise en évidence pour cet ARNm varie en fonction de la technique utilisée : elle est de 11 ± 1 fois par RT-PCR classique, de 76 ± 2 fois par RT-PCR quantitative à 30°C, et de 75 ± 1 fois par RT-PCR quantitative à 37°C. Par contre, une exposition unique ou répétée aux IRFA (+LR) n'induit aucune augmentation de la mort cellulaire, ni de l'expression de l'ARNm de la MMP-1 chez ces fibroblastes. Conclusions : les résultats de cette étude montrent que, contrairement aux rayons ultraviolets, les IRFA (+LR) ne semblent impliqués ni dans le vieillissement, ni dans la mort cellulaire, même utilisés à des doses très élevées. Ces résultats sont en accord avec certaines investigations in vivo montrant une induction de MMP-1 par des UV et non des infrarouges. Ces dernières études suggèrent d'ailleurs plutôt un rôle protecteur des IRFA (+LR).