Role of Myeloid-Derived Suppressor Cells in tumor-associated pregnancy

Cancer progression is dependent, in part, on interactions between tumor cells and the host microenvironment. During pregnancy, physiological changes occur that include inflammation and reduced immunity, both of which can promote tumor growth. Accordingly, tumors are observed to be more aggressive and to have greater proclivity toward metastasis during pregnancy. In this work, myeloid-derived suppressor cells (MDSC), a population of heterogeneous and pluripotent cells that can down-regulate immune responses during pathological conditions, were studied in the context of mouse and human gestation. The gene expression profile of mouse MDSC has been shown to differ in pregnant and virgin mice, and the profile in pregnant animals bears similarity to that of MDSC associated with the tumor microenvironment. Common induced genes include Fibronectin1 and Olfactomedin4, which are known to be involved in extracellular matrix remodeling and tissue permissiveness to tumor cells implantation. Our observations suggest that mouse MDSC may represent a shared regulatory mechanism of tissue permissiveness that occurs during the physiological state of gestation and tumor growth. Pregnancy-associated changes in immunosuppressive myeloid cell activity have also been studied in humans. We show that CD33+ myeloid cells isolated from PBMC (peripheral blood mononuclear cells) of pregnant women are more strongly immunosuppressive on T cells than CD33+ cells removed from non-pregnant subjects. During murine gestation, decreased natural killer (NK) cell activity is responsible, at least in part, for the increase in experimental metastasis. However, although peripheral blood NK cell numbers and cytotoxicity were slightly reduced in pregnant women, neither appeared to be regulated by CD33+ cells. Nevertheless, based on its observed suppression of T cell responses, the CD33+ PBMC subset appears to be an appropriate myeloid cell population to study in order to elucidate mechanisms of immune regulation that occur during human pregnancy. Our findings regarding the immunosuppressive function of CD33+cells and the role of NK cells during human pregnancy are consistent with the notion that changes in the function of the immune system participate in the constitution of a permissive soil for tumour progression.

Myeloid-derived suppressor cells are implicated in regulating permissiveness for tumor metastasis during mouse gestation.

Metastasis depends on the ability of tumor cells to establish a relationship with the newly seeded tissue that is conducive to their survival and proliferation. However, the factors that render tissues permissive for metastatic tumor growth have yet to be fully elucidated. Breast tumors arising during pregnancy display early metastatic proclivity, raising the possibility that pregnancy may constitute a physiological condition of permissiveness for tumor dissemination. Here we have shown that during murine gestation, metastasis is enhanced regardless of tumor type, and that decreased NK cell activity is responsible for the observed increase in experimental metastasis. Gene expression changes in pregnant mouse lung and liver were shown to be similar to those detected in premetastatic sites and indicative of myeloid cell infiltration. Indeed, myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) accumulated in pregnant mice and exerted an inhibitory effect on NK cell activity, providing a candidate mechanism for the enhanced metastatic tumor growth observed in gestant mice. Although the functions of MDSCs are not yet understood in the context of pregnancy, our observations suggest that they may represent a shared mechanism of immune suppression occurring during gestation and tumor growth.

Pregnancy-associated changes in host permissiveness to metastasis

THESIS SUMMARY : Metastasis is a multistep process involving tumour cell-autonomous features, the host tissue stroma of the primary tumour, the blood or lymphatic system as well as a receptive target organ. Most studies on factors influencing metastasis have concentrated on the characteristics of the disseminating tumour cell and on early steps of metastasis including invasion and angiogenesis. Although these steps are necessary for tumour cells to disseminate, it is the challenges encountered in the later steps of metastasis -survival while in the circulation and engraftment and outgrowth in the target organ -that account for the inefficiency of circulating tumour cells in establishing secondary lesions. Full understanding of the metastatic process therefore requires elucidation of the mechanisms that regulate these late steps, and in particular that determine what makes any given tissue permissive for metastatic tumour growth. To address this issue, we assessed the mechanisms whereby a physiological situation -pregnancy -can alter host permissiveness toward metastasis. We show that pregnant NOD/SCID mice -injected intravenously with tumour cells -develop more metastases than their non-pregnant counterparts irrespective of the tumour cell type. There was no direct effect of pregnancy-related circulating factors on tumour cell proliferation, and subcutaneous tumour growth does not vary between pregnant and nonpregnant animals. However, decreased elimination of tumour cells from the lung microvasculature was observed in pregnant mice, prompting us to assess whether pregnancy-related adaptations in innate immunity could account for this differential clearing. We found that natural killer (NK) cell fractions are decreased in blood and spleen of pregnant mice and that NK cell cytotoxicity is impaired, as reported previously. The use of NK-deficient mice or tumour cell lines resistant to NK killing abrogates the difference in metastasis load between pregnant and virgin mice. CD11 b+ Gr-1+ myeloid-derived suppressor cells (MDSC) have previously been shown to accumulate in tumour-bearing mice and to down-modulate NK activity. Accordingly, we show an increase in MDSC in pregnant mouse blood, spleen, lungs and liver. Depletion of MDSC prior to tumour cell injection decreased metastasis load in pregnant NOD/SCID mice but had no effect on virgin mice. Similarly, adoptive transfer of MDSC extracted from pregnant mice into virgin mice lead to increased metastasis take. In parallel, we investigated whether the lung and liver microenvironments are modified during pregnancy thereby providing a more "permissive soil" for the establishment of metastases. A comparative analysis of microarray data of pregnant mouse lungs and liver with "premetastatic niche" gene expression profiles of these organs shows that similar mechanisms could mediate an increase in lung and liver metastasis in pregnant mice and in mice harbouring an aggressive primary tumour. Several commonly up-regulated genes point towards the recruitment of myeloid cells, consistent with the accumulation of MDSC observed in pregnant mice. MDSC have never been evoked in the context of pregnancy before. Although the role of MDSC in pregnancy requires further investigation we suggest that MDSC accumulation constitutes an important and hitherto unrecognised common denominator of maternal immune tolerance and cancer immune escape. RESUME DE THESE : La métastatisation est un processus en plusieurs étapes qui implique des compétences particulières chez les cellules tumorales, le stroma de la tumeur primaire, les vaisseaux sanguins ou lymphatiques ainsi qu'un organe cible' réceptif. Jusqu'alors, la recherche s'est principalement intéressée aux facteurs qui influencent les étapes précoces de la métastatisation donc aux caractéristiques de la cellule métastatique, et aux processus tels que l'invasion et l'angiogenèse, tandis que peu d'études traitent des étapes tardives tel que la survie dans la circulation sanguine et l'établissement d'une lésion dans l'organe cible. En particulier, l'élucidation des facteurs qui déterminent la permissivité d'un tissu à la greffe de cellules disséminantes est indispensable à la compréhension de ce processus complexe qu'est la métastatisation. Nous proposons ici un modèle de souris récapitulant les étapes tardives de la métastatisation dans un contexte d'une permissivité accrue aux métastases chez la souris gravide, et nous évaluons les mécanismes impliqués. Les souris gestantes développent plus de métastases après l'injection intraveineuse de cellules tumorales, indépendamment du type de tumeur d'origine. Les taux élevés d'hormones et de facteurs de croissance chez la souris gravide n'inflúencent pas la prolifération des cellules tumorales et fa croissance de tumeurs sous-cutanées n'est pas non plus accélérée par la gestation. En revanche, une fois injectées, les cellules tumorales sont éliminées ` moins rapidement des vaisseaux pulmonaires chez la souris gravide que chez les contrôles. Cette observation est compatible avec un effet de la gestation sur l'immunité innée et nous avons mis en évidence une diminution des proportions de cellules NK (natural killer) dans le sang et la rate en particulier, ainsi qu'une cytotoxicité moindre envers des cellules tumorales. En utilisant des souris déficientes en cellules NK ou en injectant des cellules résistantes à l'attaqué par des cellules NK, la différence entre souris gestantes et non-gestantes disparaît. Il a été démontré chez des souris porteuses de tumeurs, que l'accumulation de cellules immunosuppressives de la lignée myélo-monocytaire (ou MDSC pour myeloid-derived suppressor tells) pouvait être responsable d'une inhibition de l'activité de cellules NK. Des nombres augmentés de ces cellules, caractérisées par les marqueurs de surface CD11b et Gr-1, ont été trouvés dans le sang, la rate, les poumons et le foie de souris gravides. Leur rôle dans la métastatisation est démontré par le fait que leur dépletion diminue le nombre de lésions secondaires chez la souris gestante, tandis que leur transfert dans des souris non-gestantes augmente le taux de métastases. L'utilisation de puces à ADN sur les foies et poumons de souris gravides a permis de mettre en évidence des différences d'expression génique proches de celles observées dans l'établissement de niches pré-métastatiques. Ceci suggère que des mécanismes similaires pourraient être responsables d'une permissivité accrue aux métastases chez la souris gravide et chez la souris porteuse d'une tumeur primaire agressive, telle que, en particulier, l'accumulation de cellules immunosuppressives dans les organes cibles. C'est la première fois que l'accumulation de MDSC est évoquée chez la souris gravide et nous proposons ici que celles-ci jouent un rôle dans la tolérance immunitaire envers le foetus et sont responsables de l'échappement de cellules tumorales injectées à la surveillance immunitaire par des cellules NK.

Chemotherapy induces tumor metastasis and dormancy

Chemotherapy is widely used as a systemic treatment modality in cancer patients and provides survival benefits for a significant fraction of treated patients H However, some patients suffer from cancer relapse and rapidly progress to metastasis, suggesting that following chemotherapy their residual tumor developed a more aggressive phenotype 4 5. Although some molecular mechanisms involved in chemo-resistance and chemotherapy-induced metastatic relapse have been reported, more investigations and understanding of these processes are necessary before any translation into the clinic might be considered. By using the syngeneic metastatic 4T1 murine breast cancer model, we observed that chemotherapy treatment and selection of chemotherapy-resistant cancer cells in vitro can induces two opposite phenotypes: a dormant one and a relapsing-metastatic one. Previous studies in our laboratory demonstrated that irradiation of mammary gland promotes tumor metastasis, at least in part, by inducing the recruitment of CD11b+ cells to both the primary tumor and the lungs at a pre-metastatic stage. In this study we found that CD11b+ cells may also play important roles in chemotherapy-induced tumor metastasis and dormancy in vivo. Tumor cells expressing the stem cell marker Sca-1 were enriched by chemotherapy treatment in vitro, as well as in tumor metastasis in vivo. Furthermore, tumor-derived CD11b+ cells were capable to maintain and expand this population in vitro. These results suggest that the expansion of a tumor cell population with stem cell features might be a mechanism by which chemotherapy induces metastasis. On the other hand, the same drug treatment in vitro generated resistant cells with a dormant phenotype. Dormant tumor cells were able to induce an in vivo immune- inflammatory response in the draining lymph node, which is normally absent due to the immunosuppressive effects of tumor-recruited myeloid derived- suppressor cells (MDSCs). Genome-wide gene expression analysis revealed the enrichment of invasion and metastasis-related genes in the relapsing metastatic tumor cells and immune response-related genes in the dormant tumor cells. Interestingly, CD11b+ cells derived from the microenvironment of growing-metastatic tumors, but not CD11b+ cells derived from the spleen of tumor-free mice, were able to instigate outgrowth of dormant tumor cells in vivo. Also, dormant cells formed growing and metastatic tumors when injected into immune-compromised NGS mice. These results point to a role of chemotherapy in enabling treated tumor cells to acquire immune response-inducing capabilities, while impairing the recruitment of CD11b+ cells and their differentiation into an immune-suppressive cell. The molecular mechanisms underneath these effects are being further investigated. In conclusion, results obtained in this model indicate that chemotherapy can induce a dormant phenotype in cancer cells and that this state of dormancy can be broken by MDSCs educated by relapsing tumors. Understanding the mechanism beyond these effects, in particular unraveling the genetic or epigenetic determinants of dormancy vs relapse, might open the way to therapies aimed and maintaining residual cells escaping chemotherapy in a state of sustained dormancy. - La chimiothérapie est un traitement systémique largement utilisé chez les patients cancéreux qui donne un avantage de survie significatif pour une bonne partie de patients traités (1-3). Cependant, certains patients souffrent d'une rechute et progressent ensuite vers la métastase. Ceci suggère que leur tumeur résiduelle a développé un phénotype agressif suite à la chimiothérapie (4-5). Bien que certains mécanismes moléculaires impliqués dans la chimiorésistance et la rechute métastatique ont été identifiés, d'avantage d'études sont nécessaires afin de mieux comprendre ce phénomène et de développer des nouvelles thérapies cliniques. En utilisant un modèle syngénique de cancer du sein métastatique chez la sourie (4T1), nous avons observé que la sélection des cellules cancéreuses résistantes à la chimiothérapie in vitro peut induire deux phénotypes opposés: un phénotype de dormance et un phénotype de progression métastatique. Une étude précédente issue de notre laboratoire a démontré que l'irradiation de la glande mammaire favorise la métastase de tumeurs recourants suite au recrutement de cellules CD11b+ dans la tumeur primaire et dans les poumons pré-métastatiques. Dans notre étude nous avons constaté que les cellules CD11b+ peuvent également jouer un rôle important dans la formation de métastases induites par la chimiothérapie ainsi que dans le maintien de la dormance in vivo. Nous avons également observé un enrichissement de cellules tumorales exprimant le marqueur de cellule souche Sca-1 parmi les cellules tumorales résistantes à la chimiothérapie et dans les cellules qui on formé des métastases in vivo. Des cellules CD11b+ dérivées du microenvironnement tumorale favorisent l'expansion de la population de cellules tumorales Sca-1+ in vitro. Ces résultats suggèrent que l'expansion d'une population de cellules tumorales avec des caractéristiques de cellules souches pourrait constituer un mécanisme par lequel la chimiothérapie induit des métastases dans des tumeurs récurrentes. D'autre part le même traitement de chimiothérapie peut générer des cellules résistantes avec un phénotype dormant. Les expériences in vivo indiquent que les cellules tumorales dormantes induisent une réponse immunitaire inflammatoire dans le ganglion lymphatique de drainage, qui est normalement réprimée par des cellules myéloïdes suppressives de tumeur (MDSC). Une analyse d'expression de gènes a révélé l'enrichissement de gènes liés à l'invasion et à la métastase dans les cellules tumorales récurrentes et des gènes liés à la réponse immunitaire dans les cellules tumorales dormantes. Les cellules CD11b+ issues du microenvironnement des tumeurs récurrents ont incité la croissance des cellules tumorales dormantes in vivo, tandis que les cellules CD11b+ dérivées de la rate de souris non porteuses de tumeur ne l'étaient pas. Les mécanismes moléculaires sous-jacents restent à découvrir. En conclusion, les résultats obtenus dans ce modèle indiquent que la chimiothérapie pourrait favoriser non seulement l'induction d'une dormance cellulaire, mais également que les cellules dormantes seraient adroits de induire une réponse immunitaire capable les maintenir dans un état de dormance prolongé. Un déséquilibre dans cette réponse immunitaire pourrait des lors briser cet état de dormance et induire une progression tumorale. Comprendre les mécanismes responsables de ces effets, en particulier l'identification des déterminants génétiques ou épigénétiques liés à la dormance vs la rechute, pourraient ouvrir la voie à des nouvelles thérapies visant le maintien d'un état de dormance permanente des cellules résiduelles après chimiothérapie.

Therapeutic PD-1 pathway blockade augments with other modalities of immunotherapy T-cell function to prevent immune decline in ovarian cancer.

The tumor microenvironment mediates induction of the immunosuppressive programmed cell death-1 (PD-1) pathway, and targeted interventions against this pathway can help restore antitumor immunity. To gain insight into these responses, we studied the interaction between PD-1 expressed on T cells and its ligands (PD-1:PD-L1, PD-1:PD-L2, and PD-L1:B7.1), expressed on other cells in the tumor microenvironment, using a syngeneic orthotopic mouse model of epithelial ovarian cancer (ID8). Exhaustion of tumor-infiltrating lymphocytes (TIL) correlated with expression of PD-1 ligands by tumor cells and tumor-derived myeloid cells, including tumor-associated macrophages (TAM), dendritic cells, and myeloid-derived suppressor cells (MDSC). When combined with GVAX or FVAX vaccination (consisting of irradiated ID8 cells expressing granulocyte macrophage colony-stimulating factor or FLT3 ligand) and costimulation by agonistic α-4-1BB or TLR 9 ligand, antibody-mediated blockade of PD-1 or PD-L1 triggered rejection of ID8 tumors in 75% of tumor-bearing mice. This therapeutic effect was associated with increased proliferation and function of tumor antigen-specific effector CD8(+) T cells, inhibition of suppressive regulatory T cells (Treg) and MDSC, upregulation of effector T-cell signaling molecules, and generation of T memory precursor cells. Overall, PD-1/PD-L1 blockade enhanced the amplitude of tumor immunity by reprogramming suppressive and stimulatory signals that yielded more powerful cancer control.

Tolerogenic dendritic cells and their role in induction of immune tolerance

Les cellules dendritiques sont des cellules du système immunitaire qui permettent d'instruire les lymphocytes T, autres cellules de ce système, pour mettre en place une réponse immunitaire adaptée afin de combattre et vaincre une infection. Ces cellules dendritiques vont reconnaître des motifs spécifiquement exprimés par des pathogènes par l'intermédiaire de récepteurs exprimés à leur surface. En détectant ces molécules, elles vont s'activer et subir diverses modifications pour pouvoir activer les lymphocytes T. Elles vont alors interagir avec les lymphocytes Τ et transférer les informations nécessaires pour que ces cellules s'activent à leur tour et produisent différentes protéines de façon à éliminer le pathogène. En fonction du type de pathogène, les informations transférées entre les cellules dendritiques et les lymphocytes seront différentes de manière à produire la réponse immunitaire la mieux adaptée pour supprimer l'élément infectieux. Dans le corps, les cellules dendritiques circulent continuellement afin de détecter les éléments étrangers. Quand elles reconnaissent une protéine étrangère, elles la phagocytent, c'est-à-dire qu'elles la mangent afin de pouvoir la présenter aux lymphocytes T. Mais quand elles phagocytent un élément étranger, elles peuvent également prendre des éléments du soi, comme par exemple quand elles phagocytent une cellule infectée par un virus. Les cellules dendritiques doivent alors être capables de différentier les molécules du soi et du non-soi de façon à ne pas induire une réponse en présentant un antigène du soi aux lymphocytes T. D'autant plus que lors de leur développement, les lymphocytes Τ qui sont capables de reconnaître le soi sont éliminés mais ce système n'est pas parfait et donc certains lymphocytes Τ auto-reactifs peuvent se trouver dans le corps. Il existe ainsi d'autres mécanismes en périphérie du site de développement pour inhiber ces lymphocytes Τ auto-reactifs. Ce sont les mécanismes de tolérance. Quand les lymphocytes Τ induisent une réponse aux antigènes du soi, cela résulte à des maladies auto-immunes. Dans mon projet de recherche, nous avons travaillé avec des lignées de cellules dendritiques, c'est-à-dire des cellules dendritiques semblables à celles que l'on peut trouver in vivo mais qui sont immortalisées, elles peuvent donc être cultiver et manipuler in vitro. Nous avons génétiquement modifiées ces lignées cellulaires pour qu'elles expriment des molécules immunosuppressives afin d'étudier comment induire une tolérance immunitaire, c'est-à-dire si l'expression de ces molécules permet d'éviter de générer une réponse immunitaire. Pour cela, nous avons utilisé des modèles murins de tumeurs et de maladies auto-immunes. Nous avons démontré que ces lignées de cellules dendritiques peuvent être un grand outil de recherche pour étudier les bénéfices de différentes molécules immuno-modulatrices afin d'induire une tolérance immunitaire à différents antigènes. - Les cellules dendritiques sont responsables de l'induction des réponses immunitaires adaptatives. Suite à une infection microbienne, les cellules dendritiques s'activent, elles induisent l'expression de molécules de costimulation à leur surface, sécrètent des cytokines et induisent la différentiation des cellules Τ effectrices et mémoires. De plus, les cellules dendritiques ont un rôle important dans l'induction et la maintenance de la tolérance immunitaire au niveau du thymus et en périphérie, en induisant l'anergie, la délétion ou la conversion des cellules Τ naïves en cellules régulatrices. Dans notre groupe, une nouvelle lignée de cellules dendritiques appelée MuTu a été crée par la culture de cellules dendritiques tumorales isolées à partir d'une rate d'une souris transgénique, dans laquelle l'expression de l'oncogène SV40 et du GFP sont sous le contrôle du promoteur CD1 le, et sont ainsi spécifiquement exprimés dans les cellules dendritiques. Ces nouvelles lignées appartiennent au sous-type des cellules dendritiques conventionnelles exprimant CD8a. Elles ont conservé leur capacité d'augmenter l'expression des marqueurs de costimulation à leur surface ainsi que le production de cytokines en réponse à des ligands des récepteurs Toll, ainsi que leur capacité à présenter des antigènes associés aux molécules du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe I ou II pour activer la prolifération et la différentiation des lymphocytes T. En utilisant un système de transduction de lentivirus de seconde génération, ces nouvelles lignées de cellules dendritiques ont été génétiquement modifiées pour sur-exprimer des molécules immunosuppressives (IL-10, TGFP latent, TGFp actif, Activin A, Arginase 1, IDO, B7DC et CTLA4). Ces lignées permettent d'étudier de manière reproductible le rôle de ces molécules potentiellement tolérogènes sur les réponses immunitaires in vitro et in vivo. Ces lignées potentiellement tolérogènes ont été testées, tout d'abord, in vitro, pour leur capacité à inhiber l'activation des cellules dendritiques, à bloquer la prolifération des cellules Τ ou à modifier leur polarisation. Nos résultats démontrent qu'en réponse à une stimulation, la sur-expression des molécules costimulatrices et la sécrétion de molécules pro- inflammatoires est réduite quand les cellules dendritiques sur-expriment l'IL-10. La sur¬expression de TGFp sous sa forme active induit le développement de cellules régulatrices CD4+ CD25+ Foxp3+ et bloque la réponse CD8 cytotoxique tandis que la sur-expression de CTLA4 à la surface des cellules dendritiques inhibe une réponse Thl et induit des lymphocytes Τ anergiques. Ces lignées ont également été utilisées pour étudier l'induction de tolérance in vivo. Tout d'abord, nous avons étudié l'induction de tolérance dans un modèle de développement de tumeurs. En effet, quand les lignées tumorales sont transférées dans les lignées de souris C57BL/6, elles sont reconnues comme du non-soi du à l'expression de l'oncogène SV40 et du GFP et sont éliminées. Ce mécanisme d'élimination a été étudié en utilisant une lignée de cellules dendritiques modifiée pour exprimer la luciférase et qui a permis de suivre le développement des tumeurs par de l'imagerie in vivo dans des animaux vivants. Ces lignées de cellules dendritiques MuTu sont éliminées dans la souris C57BL/6 par les lymphocytes CD8 et l'action cytotoxique de la perforine. Après plusieurs injections, les cellules dendritiques sur-exprimant CTLA4 ou l'actif TGFp peuvent casser cette réponse immunitaire inhérente aux antigènes de la lignée et induire le développement de la tumeur dans la souris C57BL/6. Le développement tumoral a pu être suivi en mesurant la bioluminescence émise par des cellules dendritiques modifiées pour exprimer à la fois l'actif TGFp et la luciférase. Ces tumeurs ont pu se développer grâce à la mise en place d'un microenvironnement suppressif pour échapper à l'immunité en recrutant des cellules myéloïde suppressives, des lymphocytes CD4 régulateurs et en induisant l'expression d'une molécule inhibitrice PD-1 à la surface des lymphocytes CD8 infiltrant la tumeur. Dans un deuxième temps, ces lignées tolérogènes ont également été testées dans un modèle murin de maladies auto-immunes, appelé l'encéphalomyélite auto-immune expérimental (EAE), qui est un modèle pour la sclérose en plaques. L'EAE a été induite dans la souris par le transfert de cellules de ganglions prélevées d'une souris donneuse préalablement immunisée avec une protéine du système nerveux central, la glycoprotéine myéline oligodendrocyte (MOG) émulsifiée dans de l'adjuvant complet de Freund. La vaccination des souris donneuses et receveuses avec les cellules sur-exprimant l'actif TGFP préalablement chargées avec la protéine MOG bloque l'induction de l'EAE. Nous sommes actuellement en train de définir les mécanismes qui permettent de protéger la souris du développement de la maladie auto-immune. Dans cette étude, nous avons ainsi démontré la possibilité d'induire la tolérance in vivo et in vitro à différents antigènes en utilisant nos nouvelles lignées de cellules dendritiques et en les modifiant pour exprimer des molécules immunosuppressives. En conséquence, ces nouvelles lignées de cellules dendritiques représentent un outil pour explorer les bénéfices de différentes molécules ayant des propriétés immuno-modulatrices pour manipuler le système immunitaire vers un phénotype tolérogène. - Dendritic cells (DC) are widely recognized as potent inducers of the adaptive immune responses. Importantly, after microbial infections, DC become activated, induce co- stimulation, secrete cytokines and induce effector and memory Τ cells. DC furthermore play an important role in inducing and maintaining central and peripheral tolerance by inducing anergy, deletion or commitment of antigen-specific naïve Τ cells into regulatory Τ cells. In our group, stable MuTu DC lines were generated by culture of splenic DC tumors from transgenic mice expressing the SV40 large Τ oncogene and the GFP under DC-specific CDllc promoter. These transformed DC belong to the CD8a+ conventional DC subtype and have fully conserved their capacity to upregulate co-stimulatory markers and produce cytokines after activation with Toll Like Receptors-ligands, and to present Major Histocompatibility class-I or MHCII-restricted antigens to activate Τ cell expansion and differentiation. Using a second- generation lentiviral transduction system, these newly developed MuTu DC lines were genetically modified to overexpress immunosuppressive molecules (IL-10, latent TGFp, active TGFp, Activin A, Arginase 1, IDO, B7DC and CTLA4). This allows to reproducibly investigate the role of these potentially tolerogenic molecules on in vitro and in vivo immune responses. These potentially tolerogenic DC were tested in vitro for their ability to inhibit DC activation, to prevent Τ cell proliferation and to modify Τ cell polarization. Our results show that the upregulation of costimulatory molecules and the secretion of pro-inflammatory cytokines were reduced upon stimulation of DC overexpressing IL-10. The overexpression of active TGFP induced the development of CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory Τ cells and inhibited the cytotoxic CD8 Τ cell response as shown by using the OT-II Τ cell system whereas the surface expression of CTLA-4 on DC prevented the Thl response and prompted an anergic antigen-specific Τ cell response. These MuTu DC lines were also used in vivo in order to study the induction of tolerance. First we addressed the induction of tolerance in a model of tumorogenesis. The adoptively transferred tumor cell lines were cleared in C57BL/6 mice due to the foreign expression of SV40 LargeT and GFP. The mechanism of clearance of MuTu DC line into C57BL/6 mice was investigated by using luciferase-expressing DC line. These DC line allowed to follow, by in vivo imaging, the tumor development in living animals and determined that MuTu DC lines were eliminated in a perforin-mediated CD8 Τ cell dependent and CD4 Τ cell independent response. After multiple injections, DC overexpressing CTLA4 or active TGFp could break the immune response to these inherent antigens and induced DC tumorogenesis in wild type mice. The tumor outgrowth in C57BL/6 mice was nicely observed by double-transduced DC lines to express both luciferase and active TGFp. actTGFp-DC tumor was shown to recruit myeloid-derived suppressor cells, induce CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory Τ cells and induce the expression of the inhibitory receptor PD-1 on tumor- infiltrating CD8+ Τ cells in order to escape tumor immunity. Tolerogenic DC lines were also tested for the induction of tolerance in a murine model of autoimmune disease, the experimental autoimmune encephalitis (EAE) model for human multiple sclerosis. EAE was induced in C57BL/6 mice by the adoptive transfer of lymph node cells isolated from donor mice previously immunized by a protein specific to the central nervous system, the myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) emulsified in the complete freund adjuvant. The vaccination of donor and recipient mice with MOG-pulsed actTGFP-DC line prevented EAE induction. We are still investigating how the active TGFP protect mice from EAE development. We generated tolerogenic DC lines inducing tolerance in vitro and in vivo. Thereby these MuTu DC lines represent a great tool to explore the benefits of various immuno-modulatory molecules to manipulate the immune system toward a tolerogenic phenotype.

Frequencies of circulating MDSC correlate with clinical outcome of melanoma patients treated with ipilimumab.

Metastatic melanoma has a poor prognosis with high resistance to chemotherapy and radiation. Recently, the anti-CTLA-4 antibody ipilimumab has demonstrated clinical efficacy, being the first agent to significantly prolong the overall survival of inoperable stage III/IV melanoma patients. A major aim of patient immune monitoring is the identification of biomarkers that predict clinical outcome. We studied circulating myeloid-derived suppressor cells (MDSC) in ipilimumab-treated patients to detect alterations in the myeloid cell compartment and possible correlations with clinical outcome. Lin(-) CD14(+) HLA-DR(-) monocytic MDSC were enriched in peripheral blood of melanoma patients compared to healthy donors (HD). Tumor resection did not significantly alter MDSC frequencies. During ipilimumab treatment, MDSC frequencies did not change significantly compared to baseline levels. We observed high inter-patient differences. MDSC frequencies in ipilimumab-treated patients were independent of baseline serum lactate dehydrogenase levels but tended to increase in patients with severe metastatic disease (M1c) compared to patients with metastases in skin or lymph nodes only (M1a), who had frequencies comparable to HD. Interestingly, clinical responders to ipilimumab therapy showed significantly less lin(-) CD14(+) HLA-DR(-) cells as compared to non-responders. The data suggest that the frequency of monocytic MDSC may be used as predictive marker of response, as low frequencies identify patients more likely benefitting from ipilimumab treatment. Prospective clinical trials assessing MDSC frequencies as potential biomarkers are warranted to validate these observations.

T-cell and NK-cell infiltration into solid tumors: a key limiting factor for efficacious cancer immunotherapy.

Cancer immunotherapy has great promise, but is limited by diverse mechanisms used by tumors to prevent sustained antitumor immune responses. Tumors disrupt antigen presentation, T/NK-cell activation, and T/NK-cell homing through soluble and cell-surface mediators, the vasculature, and immunosuppressive cells such as myeloid-derived suppressor cells and regulatory T cells. However, many molecular mechanisms preventing the efficacy of antitumor immunity have been identified and can be disrupted by combination immunotherapy. Here, we examine immunosuppressive mechanisms exploited by tumors and provide insights into the therapies under development to overcome them, focusing on lymphocyte traffic.

Deciphering and reversing tumor immune suppression.

Generating an anti-tumor immune response is a multi-step process that is executed by effector T cells that can recognize and kill tumor targets. However, tumors employ multiple strategies to attenuate the effectiveness of T-cell-mediated attack. They achieve this by interfering with nearly every step required for effective immunity, from deregulation of antigen-presenting cells to establishment of a physical barrier at the vasculature that prevents homing of effector tumor-rejecting cells and the suppression of effector lymphocytes through the recruitment and activation of immunosuppressive cells such as myeloid-derived suppressor cells, tolerogenic monocytes, and T regulatory cells. Here, we review the ways in which tumors exert immune suppression and highlight the new therapies that seek to reverse this phenomenon and promote anti-tumor immunity. Understanding anti-tumor immunity, and how it becomes disabled by tumors, will ultimately lead to improved immune therapies and prolonged survival of patients.

OLFM4 : a neutrophil shield against autoimmunity?

Neutrophil extracellular traps (NETs) formation is a cell death mechanism characterized by the extrusion of DNA fibers associated to antimicrobial peptides such as LL37. Beside their antimicrobial role, NETs are highly immunogenic by their ability to activate plasmacytoid dendritic cells (pDCs). In this context, LL37 binds to NET-DNA, leading to endosomal Toll¬like-receptor (TLR) 9 binding, resulting in Interferon alpha (IFNa) production by pDCs. Uncontrolled pDC activation by NETs is an important player in the pathogenesis of autoimmune disease such as Lupus Erythematosus (LE); however the regulation of NET- driven pDC activation is poorly characterized. Olfactomedin 4 (OLFM4) is a granule protein present in a subset of circulating neutrophils and was shown to bear anti-inflammatory properties in a mouse model, raising the possibility that it may regulate neutrophil-induced inflammation. Therefore, in this project, we aimed at deciphering the mechanism by which OLFM4 may regulate inflammation induced by NET-activated pDC and its relevance in the pathogenesis of Lupus Erythematosus (LE). First, we show that OLFM4 directly interacted with LL37 in neutrophils, impairing LL37/DNA complexes formation and pDC activation to produce IFNa. Then, by using an in vivo model of acute inflammation depending on NET- driven activation of pDCs, we observed that the absence of Olfm4 led to uncontrolled type I IFN production, confirming the regulatory role of neutrophil-derived OLFM4. Beyond controlling NET-induced inflammation, we also show that OLFM4 could inhibit pDC activation mediated by DNA-containing immune complexes (ICs), suggesting that OLFM4 holds anti¬inflammatory properties in the context of LE. Of note, we identified a previously unknown population of OLFM4hi9h neutrophils in healthy individuals that may belong to the immunosuppressive subset of granulocytic myeloid-derived suppressor cells (g-MDSCs). Strikingly, we observed a decreased frequency of OLFM4h'9h cells among inflammatory Low density granulocytes (LDGs) neutrophils in LE patients, suggesting that a disequilibrium between pro- and anti-inflammatory neutrophils may participate to the disease pathogenesis. Altogether, this study demonstrates that OLFM4 is involved in the resolution of inflammation. -- La NETose (formation de Neutrophil Extracellular Traps, NETs) est une réponse à un stimulus inflammatoire caractérisée par l'expulsion de l'ADN lié à des peptides antimicrobiens comme le LL37, induisant la mort de la cellule. Les NETs possèdent des propriétés antibactériennes et sont pro-inflammatoires via leur capacité à activer les cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDCs). Dans ce contexte, les complexes ADN/LL37 libérés lient le récepteur Toll-like 9 des pDCs, induisant la production d'Interféron alpha (IFNa). La production incontrôlée d'IFNa par les pDCs est impliquée dans la pathogenèse du Lupus Erythemateux (LE), cependant la régulation de l'activation des pDCs reste mal connue. L'Oflactomédine 4 (OLFM4) est une protéine produite par une sous-population de neutrophiles, avec des propriétés anti-inflammatoires possibles. Le but de ce projet était d'identifier les mécanismes par lesquels l'OLFM4 pourrait réguler l'inflammation induite par les NETs et sa relevance dans la pathogenèse du LE. Tout d'abord, nous avons montré que l'OLFM4 interagissait avec le LL37, empêchant la production des complexes ADN/LL37 qui activent les pDCs. Nous avons vérifié notre hypothèse in vivo en utilisant un modèle murin d'inflammation locale dépendant des pDCs et des NETs. Dans ce contexte, le déficit en Olfm4 était associé à une production accrue d'IFNa, confirmant le rôle de l'OLFM4 dans le contrôle de l'inflammation. De plus, l'OLFM4 pouvait également inhiber l'activation des pDCs induite par des complexes immuns, suggérant que l'OLFM4 serait aussi anti-inflammatoire dans le contexte du LE. Ensuite, nous avons identifié une nouvelle population de neutrophiles OLFM4h'9h chez les sujets sains qui pourraient appartenir au sous-type anti¬inflammatoire des g-MDSCs (granulocytic myeloid-derived suppressor cells). Nous avons observé une diminution de ces cellules parmi les neutrophiles pro-inflammatoires LDGs (Low Density Granulocytes) dans le LE suggérant qu'un déséquilibre entre les sous-types de neutrophiles pourrait participer à l'inflammation excessive de cette maladie. Ces travaux mettent en évidence l'implication de l'OLFM4 dans la résolution de l'inflammation et suggèrent qu'une expression altérée de l'OLFM4 pourrait participer à la pathogenèse du LE. -- Les neutrophils constituent la majorité des globules blancs circulants et sont rapidement mobilisés depuis le sang dans un organe lésé en cas d'infection ou de blessure. Ils représentent la première ligne de défense du système immunitaire. Ils sont indispensables dans la défense contre les infections par leur capacité à tuer les bactéries, par exemple en produisant des peptides antimicrobiens (AMPs) qui fonctionnent comme des antibiotiques naturels. De plus, les neutrophiles recrutent les autres membres du système immunitaire qui sont nécessaires à l'éradication complète des microbes et à la réparation des tissus. Les nombreux outils permettant aux neutrophiles de contrôler les infections ne sont cependant pas sans danger pour les tissus. En effet, diverses molécules comme les AMPs peuvent induire des dommages tissulaires substantiels en participant au développement d'une inflammation chronique. Ceci est particulièrement le cas lorsque les neutrophiles meurent par un processus nommé NETose. Dans ce contexte, la cellule subit une dissolution de sa membrane suivie de l'expulsion de son ADN associé à des AMPs. Ces complexes formés d'ADN et d'AMPs induisent la production de cytokines pro-inflammatoires dont l'Interféron alpha (IFNa). Certaines maladies auto-immunes comme le lupus érythémateux sont associées à un excès de NETose produit par les neutrophiles et à un excès d'IFNa qui participe au développement de la maladie. Dans cette thèse, nous avons montré que l'Olfactomédine 4 (OLFM4), une protéine produite par les neutrophiles eux-mêmes, est un inhibiteur de cette inflammation. Nous avons démontré que TOLFM4 empêchait la formation des complexes ADN/AMPs, réduisant par là la production d'IFNa in vitro et in vivo. Finalement, nos recherches ont suggéré que l'OLFM4 pourrait être insuffisamment produite chez les patients souffrant de lupus, ce qui pourrait participer à l'inflammation chronique associée à la maladie.

CD8 engineered cytotoxic T cells reprogram melanoma tumor environment.

NlmCategory="UNASSIGNED">Cytotoxic T lymphocytes (CTL) from CD8β-deficient mice have powerful FasL-mediated cytotoxicity and IFNγ responses, but ablated Ca(2+) and NFAT signaling, which can be restored by transduction with CD8β. Upon infection with lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), these cells yielded GP33-specific CTL (CD8βR) that exhibited high FasL/Fas-mediated cytotoxicity, IFNγ CXCL9 and 10 chemokine responses. Transfer of these cells in B16-GP33 tumor bearing mice resulted in (i) massive T cell tumor infiltration, (ii) strong reduction of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs), regulatory T cells (Treg) and IL-17-expressing T helper cells, (iii) maturation of tumor-associated antigen-presenting cells and (iv) production of endogenous, B16 melanoma-specific CTL that eradicated the tumor long after the transferred CD8βR CTL perished. Our study demonstrates that the synergistic combination of strong Fas/FasL mediated cytotoxicity, IFNγ and CXCL9 and 10 responses endows adoptively transferred CTL to reprogram the tumor environment and to thus enable the generation of endogenous, tumoricidal immunity.

The role of chemokines in cancer immune surveillance by the adaptive immune system.

Chemokines are key molecules involved in the migration and homeostasis of immune cells. However, also tumor cells use chemokine signals for different processes such as tumor progression and metastasis. It is thus unclear whether chemokines, through their immunostimulatory roles, contribute to the repression of tumor cells by tumor immunosurveillance or whether chemokines act primarily as growth factors and chemoattractants for primary and metastatizing tumors, respectively. Research of recent years, using gene knockout mice, recombinant chemokines, and agents able to block chemokine actions, has provided further insight into the diverse functions of chemokines. Here, we review the current knowledge on the complex actions of chemokines at the interface of the immune system and the tumor.

An immune-competent model of spontaneous breast cancer metastasis to the brain

In breast cancer, brain metastases are often seen as late complications of recurrent disease and represent a particularly serious condition, since there are limited therapeutic options and patients have an unfavorable prognosis. The frequency of brain metastases in breast cancer is currently on the rise. This might be due to the fact that adjuvant chemotherapeutic and targeted anticancer drugs, while they effectively control disease progression in the periphery, they only poorly cross the blood-brain barrier and do not reach effectively cancer cells disseminated in the brain. It is therefore of fundamental clinical relevance to investigate mechanisms involved in breast cancer metastasis to the brain. To date experimental models of breast cancer metastasis to the brain described in literature are based on the direct intracarotid or intracardiac injection of breast cancer cells. We recently established a brain metastasis breast cancer model in immunocompetent mice based on the orthotopic injection of 4T1 murine breast carcinoma cells in the mammary gland of syngeneic BALB/c mice. 4T1-derived tumors recapitulate the main steps of human breast cancer progression, including epithelial-to-mesenchymal transition, local invasion and metastatic spreading to lung and lymph nodes. 4T1 cells were engineered to stably express firefly Luciferase allowing noninvasive in vivo and ex vivo monitoring of tumor progression and metastatic spreading to target organs. Bioluminescence imaging revealed the appearance of spontaneous lesions to the lung and lymph nodes and, at a much lower frequency, to the brain. Brain metastases were confirmed by macroscopic and microscopic evaluation of the brains at necropsy. We then isolated brain metastatic cells, re-injected them orthotopically in new mice and isolated again lines from brain metastases. After two rounds of selection we obtained lines metastasizing to the brain with 100% penetrance (named 4T1-BM2 for Brain Metastasis, 2nd generation) compared to lines derived after two rounds of in vivo growth from primary tumors (4T1-T2) or from lung metastases (4T1-LM2). We are currently performing experiments to unravel differences in cell proliferation, adhesion, migration, invasion and survival of the 4T1-BM2 line relative to the 4T1-T2 and 4T1-LM2 lines. Initial results indicate that 4T1-BM2 cells are not more invasive or more proliferative in vitro and do not show a more mesenchymal phenotype. Our syngeneic (BALB/c) model of spontaneous breast carcinoma metastasis to the brain is a unique and clinically relevant model to unravel the mechanisms of metastatic breast cancer colonization of the brain. Genes identified in this model represent potentially clinically relevant therapeutic targets for the prevention and the treatment of brain metastases in breast cancer patients.

Notch signaling in the immune system.

The Notch signaling pathway regulates many aspects of embryonic development, as well as differentiation processes and tissue homeostasis in multiple adult organ systems. Disregulation of Notch signaling is associated with several human disorders, including cancer. In the last decade, it became evident that Notch signaling plays important roles within the hematopoietic and immune systems. Notch plays an essential role in the development of embryonic hematopoietic stem cells and influences multiple lineage decisions of developing lymphoid and myeloid cells. Moreover, recent evidence suggests that Notch is an important modulator of T cell-mediated immune responses. In this review, we discuss Notch signaling in hematopoiesis, lymphocyte development, and function as well as in T cell acute lymphoblastic leukemia.

Plasmacytoid dendritic cells: one-trick ponies or workhorses of the immune system?

Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) were first described as interferon-producing cells and, for many years, their overlapping characteristics with both lymphocytes and classical dendritic cells (cDCs) created confusion over their exact ontogeny. In this Viewpoint article, Nature Reviews Immunology asks five leaders in the field to discuss their thoughts on the development and functions of pDCs--do these cells serve mainly as a major source of type I interferons or do they also make other important contributions to immune responses?