gp100(209-2M) peptide immunization of human lymphocyte antigen-A2+ stage I-III melanoma patients induces significant increase in antigen-specific effector and long-term memory CD8+ T cells.

Thirty-five HLA-A2(+) patients with completely resected stage I-III melanoma were vaccinated multiple times over 6 months with a modified melanoma peptide, gp100(209-2M), emulsified in Montanide adjuvant. Direct ex vivo gp100(209-2M) tetramer analysis of pre- and postvaccine peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) demonstrated significant increases in the frequency of tetramer(+) CD8(+) T cells after immunization for 33 of 35 evaluable patients (median, 0.36%; range, 0.05-8.9%). Ex vivo IFN-gamma cytokine flow cytometry analysis of postvaccine PBMCs after brief gp100(209-2M) in vitro activation showed that for all of the patients studied tetramer(+) CD8(+) T cells produced IFN-gamma; however, some patients had significant numbers of tetramer(+) IFN-gamma(-) CD8(+)T cells suggesting functional anergy. Additionally, 8 day gp100(209-2M) in vitro stimulation (IVS) of pre- and postvaccine PBMCs resulted in significant expansion of tetramer(+) CD8(+) T cells from postvaccine cells for 34 patients, and these IVS tetramer(+) CD8(+) T cells were functionally responsive by IFN-gamma cytokine flow cytometry analysis after restimulation with either native or modified gp100 peptide. However, correlated functional and phenotype analysis of IVS-expanded postvaccine CD8(+) T cells demonstrated the proliferation of functionally anergic gp100(209-2M)- tetramer(+) CD8(+) T cells in several patients and also indicated interpatient variability of gp100(209-2M) stimulated T-cell proliferation. Flow cytometry analysis of cryopreserved postvaccine PBMCs from representative patients showed that the majority of tetramer(+) CD8+ T cells (78.1 +/- 4.2%) had either an "effector" (CD45 RA(+)/CCR7(-)) or an "effector-memory" phenotype (CD45RA(-)/CCR7(-)). Notably, analysis of PBMCs collected 12-24 months after vaccine therapy demonstrated the durable presence of gp100(209-2M)-specific memory CD8(+) T cells with high proliferation potential. Overall, this report demonstrates that after vaccination with a MHC class I-restricted melanoma peptide, resected nonmetastatic melanoma patients can mount a significant antigen-specific CD8(+) T-cell immune response with a functionally intact memory component. The data further support the combined use of tetramer binding and functional assays in correlated ex vivo and IVS settings as a standard for immunomonitoring of cancer vaccine patients.

Mechanisms of functional T-cell deficiency in melanoma patients

SUMMARYAs a result of evolution, humans are equipped with an intricate but very effective immune system with multiple defense mechanisms primarily providing protection from infections. This system comprises various cell types, including T-lymphocytes, which are able to recognize and directly kill infected cells. T-cells are not only able to recognize cells carrying foreign antigens, such as virus-infected cells, but also autologous cells. In autoimmune diseases, e.g. multiple sclerosis, T- cells attack autologous cells and cause the destruction of healthy tissue. To prevent aberrant immune reactions, but also to prevent damage caused by an overreacting immune response against foreign targets, there are multiple systems in place that attenuate T-cell responses.By contrast, anti-self immune responses may be highly welcome in malignant diseases. It has been demonstrated that activated T-cells are able to recognize and lyse tumor cells, and may even lead to successful cure of cancer patients. Through vaccination, and especially with the help of powerful adjuvants, frequencies of tumor-reactive T-cells can be augmented drastically. However, the efficacy of anti-tumor responses is diminished by the same checks and balances preventing the human body from harm induced by overly activated T-cells in infections.In the context of my thesis, we studied spontaneous and vaccination induced T-cell responses in melanoma patients. The aim of my studies was to identify situations of T-cell suppression, and pinpoint immune suppressive mechanisms triggered by malignant diseases. We applied recently developed techniques such as multiparameter flow cytometry and gene arrays, allowing the characterization of tumor-reactive T-cells directly ex vivo. In our project, we determined functional capabilities, protein expression, and gene expression profiles of small numbers of T- cells from metastatic tissue and blood obtained from healthy donors and melanoma patients. We found evidence that tumor-specific T-cells were functionally efficient effector cells in peripheral blood, but severely exhausted in metastatic tissue. Our molecular screening revealed the upregulation of multiple inhibitory receptors on tumor-specific T-cells, likely implied in T-cell exhaustion. Functional attenuation of tumor-specific T-cells via inhibitory receptors depended on the anatomical location and immune suppressive mechanisms in the tumor microenvironment, which appeared more important than self-tolerance and anergy mechanisms. Our data reveal novel potential targets for cancer therapy, and contribute to the understanding of cancer biology.RÉSUMÉAu cours de l'évolution, les êtres humains se sont vus doter d'un système immunitaire complexe mais très efficace, avec de multiples mécanismes de défense, principalement contre les infections. Ce système comprend différents types de cellules, dont les lymphocytes Τ qui sont capables de reconnaître et de tuer directement des cellules infectées. Les cellules Τ reconnaissent non seulement des cellules infectées par des virus, mais également des cellules autologues. Dans le cas de maladies auto-immunes, comme par exemple la sclérose en plaques, les cellules Τ s'attaquent à des cellules autologues, ce qui engendre la destruction des tissus sains. Il existe plusieurs systèmes de contrôle des réponses Τ afin de minimiser les réactions immunitaires aberrantes et d'empêcher les dégâts causés par une réponse immunitaire trop importante contre une cible étrangère.Dans le cas de maladies malignes en revanche, une réponse auto-immune peut être avantageuse. Il a été démontré que les lymphocytes Τ étaient également capables de reconnaître et de tuer des cellules tumorales, pouvant même mener à la guérison d'un patient cancéreux. La vaccination peut augmenter fortement la fréquence des cellules Τ réagissant contre une tumeur, particulièrement si elle est combinée avec des adjuvants puissants. Cependant, l'efficacité d'une réponse antitumorale est atténuée par ces mêmes mécanismes de contrôle qui protègent le corps humain des dégâts causés par des cellules Τ activées trop fortement pendant une infection.Dans le cadre de ma recherche de thèse, nous avons étudié les réponses Τ spontanées et induites par la vaccination dans des patients atteints du mélanome. Le but était d'identifier des conditions dans lesquelles les réponses des cellules Τ seraient atténuées, voire inhibées, et d'élucider les mécanismes de suppression immunitaire engendrés par le cancer. Par le biais de techniques nouvelles comprenant la cryométrie de flux et l'analyse globale de l'expression génique à partir d'un nombre minimal de cellules, il nous fut possible de caractériser des cellules Τ réactives contre des tumeurs directement ex vivo. Nous avons examiné les profiles d'expression de gènes et de protéines, ainsi que les capacités fonctionnelles des cellules Τ isolées à partir de tissus métastatiques et à partir du sang de patients. Nos résultats indiquent que les cellules Τ spécifiques aux antigènes tumoraux sont fonctionnelles dans le sang, mais qu'elles sont épuisées dans les tissus métastatiques. Nous avons découvert dans les cellules Τ antitumorales une augmentation de l'expression des récepteurs inhibiteurs probablement impliqués dans l'épuisement de ces lymphocytes T. Cette expression particulière de récepteurs inhibiteurs dépendrait donc de leur localisation anatomique et des mécanismes de suppression existant dans l'environnement immédiat de la tumeur. Nos données révèlent ainsi de nouvelles cibles potentielles pour l'immunothérapie du cancer et contribuent à la compréhension biologique du cancer.

CD28-negative cytolytic effector T cells frequently express NK receptors and are present at variable proportions in circulating lymphocytes from healthy donors and melanoma patients.

In humans, NK receptors are expressed by natural killer cells and some T cells, the latter of which are preferentially alphabetaTCR+ CD8+ cytolytic T lymphocytes (CTL). In this study we analyzed the expression of nine NK receptors (p58.1, p58.2, p70, p140, ILT2, NKRP1A, ZIN176, CD94 and CD94/NKG2A) in PBL from both healthy donors and melanoma patients. The percentages of NK receptor-positive T cells (NKT cells) varied strongly, and this variation was more important between individual patients than between individual healthy donors. In all the individuals, the NKT cells were preferentially CD28-, and a significant correlation was found between the percentage of CD28- T cells and the percentage of NK receptor+ T cells. Based on these data and the known activated phenotype of CD28- T cells, we propose that the CD28- CD8+ T cell pool represents or contains the currently active CTL population, and that the frequent expression of NK receptors reflects regulatory mechanisms modulating the extent of CTL effector function. Preliminary results indicate that some tumor antigen-specific T cells may indeed be CD28- and express NK receptors in vivo.

Human CD8 T-cell responses to Epstein-Barr virus and Cytomegalovirus in healthy donors and melanoma patients

Summary The mechanisms regulating the protective immune T-cell responses generated against the persistent Epstein-Barr virus (EBV) and Cytomegaloviru_s (CNIV) remain poorly understood. We analyzed the dynamics of cellular differentiation and T-cell receptor (TCR) clonotype selection of EBV- and CMV-specific T-cells in healthy adults and melanoma patients. While these responses could be subdivided into four T lymphocyte populations, théir proportions varied between EBV and CMV specific responses. Phenotypic and TCR clonotypic analyses supported a linear model of differentiation from the early-differentiated (EM/CD28pos) subset to the late-differentiatdc (EMRA/CD28neg) subset. In-depth clonal composition analyses revealed TCR repertoires, which were highly restricted for CMV- and relatively diverse for EBV-specific cells. Virtually all virus-specific clonotypes identified in the EMRA/CD28neg subset were also found within the pool of less differentiated "memory" cells. However, striking differences in the patterns of dominance were observed among these subsets, as some clonotypes were selected with differentiation, while others were not. Latedifferentiated CMV-specific clonotypes were mostly characterized by TCRs with lower dependency on CD8 co-receptor interaction. Yet all clonotypes displayed similar functional avidities, suggesting a compensatory role of CD8 in the clonotypes of lower TCR avidity. Importantly, clonotype selection and composition of each virus-specific subset upon differentiation was highly preserved over time, with the presence of the same dominant clonotypes at specific differentiation stages within a period of four years. This work was extended to the study of EBV-specific CD8 T-cell responses in melanoma patients undergoing transient lymphodepletion, followed by adoptive cell transfer (ACT) and immune reconstitution for thè treatment of their tumors. Following treatment regimen, we first observed an increase in the proportion of virus-specific T-cells in 3 out of 5 patients, accompanied by a more differentiated phenotype (EMRA/CD28neg), compared to specific cells of healthy individuals. Yet, similarly to healthy donors, clonotype selection and composition of virus-specific T-cells varied along the pathway of cellular differentiation, with some clonotypes being selected with differentiation, while others were not. Intriguingly, no novel clonotypes emerged following transient immuno-suppression and homeostatic proliferation, finding which was subsequently explained by the absence of EBV reactivation. The distribution of each clonotype within early- and late-differentiated T-cell subsets in 4 out 5 patients was highly stable over time, with those clonotypes initially found before the start of treatment that were again present at specific differentiation stages after transient lymphodepletion and ACT. These findings uncover novel features of the highly sophisticated control of steady state protective T-cell immune responses against persistent herpesviruses in healthy adults. Furthermore they reveal the striking stability of these responses in terms of clonotype selection and composition with T-cell differentiation even in situations where the immune system has been. challenged. Résumé : Les mécanismes qui régulent les réponses immunitaires de type protectrices, générées contre les virus chroniquement persistants tels que l'Epstein-Barr (EBV) ou le Cytomegalo (CMV) restent largement inconnus. Nous avons analysé la différenciation des lymphocytes T spécifiques pour ces virus, ainsi que la composition des clonotypes T (par leur récepteur T) chez les donneurs sains. Les réponses immunes peuvent être classifiées en quatre souspopulations majeures de lymphocytes T, cependant, leur proportion varie entre les réponses spécifiques contre EBV ou CMV. Ces analyses soutiennent le modèle linéaire de différenciation, à partir de la population non différenciée (EM/CD28pos) vers la population plus différenciée (ENIIZA/CD28neg). De plus, nos données sur la composition clonale de ces cellules T spécifiques ont révélé des répertoires TCR restreints, pour la réponse anti-CMV, et relativement diversifiés contre EBV. Tous les clonotypes spécifiques de ces virus identifiés dans la sous-population différenciée EMRA/CD28neg, ont également été retrouvés dans la population de cellules "mémoires". Toutefois, de fortes différences ont été observées dans les schémas de domination de ces sous-populations, en effet, certains clonotypes étaient sélectionnés avec la différenciation, alors que d'autres ne l'étaient pas. Nous avons également démontré que ces clonotypes différenciés et spécifiques pour le CMV sont caractérisés par des TCRs à faible dépendance en regard de la coopération du corécepteur CD8. Néanmoins, tous les clonotypes affichent une avidité fonctionnelle similaire, suggérant un rôle compensatoire du CD8, dans le cas des clonotypes avec une faible avidité du TCR En définitive, la composition et la sélection des clonotypes spécifiques pour chaque virus et pour chaque sous-population suit un schéma de différenciation hautement conservé au cours du temps, avec la présence de ces mêmes clonotypes au même stade de différenciation sur une période de quatre ans. Ce travail a été étendu à l'étude des réponses T CD8+ spécifiques pour le virus EBV chez les patients atteints de mélanome et recevant dans le cadre du traitement de leurs tumeurs une lymphodéplétion transitoire, suivie d'un transfert adoptif de cellules et d'une reconstitution immunitaire. Au cours de cette thérapie, nous avons en premier lieu observé pour 3 des 5 patients une augmentation de la proportion de cellules T spécifiques pour le virus, accompagné d'un phénotype plus différencié (EMRA/CD28neg), et ceci comparativement à des cellules spécifiques d'individus sains. Pourtant, comme nous l'avons observé chez les donneurs sains, la sélection et la composition des clonotypes T spécifiques varient tout au long de la différenciation cellulaire, avec certains clonotypes sélectionnés et d'autres qui ne le sont pas. Étonnamment, aucun nouveau clonotype n'a émergé après l'immuno-suppression transitoire et la prolifération homéostatique. Cette observation trouve son explication par une absence de réactivation du virus EBV chez ces patients, et ce malgré leur traitement. De plus, la distribution de chaque clonotype parmi ces sous-populations non-différenciées et différenciées reste stable au cours du traitement. Ainsi, les mêmes clonotypes initialement identifiés avant le début du traitement sont présents aux mêmes stades de différenciation après la lymphodéplétion et la prolifération homéostatique. Ces résultats ont permis d'identifier de nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation hautement «sophistiquée » des réponses immunitaires T contre les virus persistants EBV et CMV chez les donneurs sains. En particulier, ils révèlent la grande stabilité de ces réponses en termes de sélection et de composition des clonotypes avec la différenciation cellulaire, et ce dans les situations chroniques, ainsi que dans les situations dans lesquelles le système immunitaire a été profondément perturbé.

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.

Impact of 3 different short-term chemotherapy regimens on lymphocyte-depletion and reconstitution in melanoma patients.

Recent immunotherapy trials have shown that lymphodepletion induced by short-term chemotherapy favors subsequent expansion of adoptively transferred T cells, by homeostatic mechanisms. To take advantage of this effect, novel regimens are being developed with the aim to enhance tumor immunity and reduce treatment toxicity. We have designed a clinical phase I trial combining chemotherapy, reinfusion of PBMC containing Melan-A(MART-1)-specific T cells, and vaccination with Melan-A peptide in Incomplete Freund's Adjuvant. Treatment with Busulfan plus Fludarabine depleted lymphocytes only weakly. Cyclophosphamide (CTX) plus Fludarabine depleted lymphocytes more profoundly, with a maximal effect using high doses of CTX. It is interesting to note that, the degree of homeostatic T-cell proliferation correlated tightly with the extent of lymphodepletion. As compared with CD4 T cells, CD8 T cells showed higher susceptibility to chemotherapy, followed by more rapid homeostatic proliferation and recovery, resulting in strong inversions of CD4/CD8 ratios. Despite efficient homeostatic proliferation of total CD4 and CD8 T cells, the frequency of CD8 T cells specific for Melan-A and cancer-testis antigens remained relatively low. In contrast, EBV-specific T cells expanded and reached high numbers. We conclude that short-term chemotherapy promoted homeostatic lymphocyte proliferation depending on the intensity of lymphocyte depletion, however without preferential expansion of tumor antigen-specific T cells.

Predictive value of the MGMT promoter methylation status in metastatic melanoma patients receiving first-line temozolomide plus bevacizumab in the trial SAKK 50/07.

The O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT) promoter methylation status is a predictive parameter for the response of malignant gliomas to alkylating agents such as temozolomide. First clinical trials with temozolomide plus bevacizumab therapy in metastatic melanoma patients are ongoing, although the predictive value of the MGMT promoter methylation status in this setting remains unclear. We assessed MGMT promoter methylation in formalin-fixed, primary tumor tissue of metastatic melanoma patients treated with first-line temozolomide and bevacizumab from the trial SAKK 50/07 by methylation-specific polymerase chain reaction. In addition, the MGMT expression levels were also analyzed by MGMT immunohistochemistry. Eleven of 42 primary melanomas (26%) revealed a methylated MGMT promoter. Promoter methylation was significantly associated with response rates CR + PR versus SD + PD according to RECIST (response evaluation criteria in solid tumors) (p<0.05) with a trend to prolonged median progression-free survival (8.1 versus 3.4 months, p>0.05). Immunohistochemically different protein expression patterns with heterogeneous and homogeneous nuclear MGMT expression were identified. Negative MGMT expression levels were associated with overall disease stabilization CR + PR + SD versus PD (p=0.05). There was only a poor correlation between MGMT methylation and lack of MGMT expression. A significant proportion of melanomas have a methylated MGMT promoter. The MGMT promoter methylation status may be a promising predictive marker for temozolomide therapy in metastatic melanoma patients. Larger sample sizes may help to validate significant differences in survival type endpoints.

Fine structural variations of alphabeta TCRs selected by vaccination with natural versus altered self-antigen in melanoma patients

Immunotherapy of cancer is often performed with altered "analog" peptide Ags optimized for HLA class I binding, resulting in enhanced immunogenicity, but the induced T cell responses require further evaluation. Recently, we demonstrated fine specificity differences and enhanced recognition of naturally presented Ag by T cells after vaccination with natural Melan-A/MART-1 peptide, as compared with analog peptide. In this study, we compared the TCR primary structures of 1489 HLA-A*0201/Melan-A26-35-specific CD8 T cells derived from both cohorts of patients. Although a strong preference for TRAV12-2 segment usage was present in nearly all patients, usage of particular TRAJ gene segments and CDR3 composition differed slightly after vaccination with natural vs analog peptide. Moreover, TCR β-chain repertoires were broader after natural than analog peptide vaccination. In all patients, we observed a marked conservation of the CDR3β amino acid composition with recurrent sequences centered on a glycyl-leucyl/valyl/alanyl-glycyl motif. In contrast to viral-specific TCR repertoires, such "public" motifs were primarily expressed by nondominant T cell clonotypes, which contrasted with "private" CDR3β signatures frequently found in T cell clonotypes that dominated repertoires of individual patients. Interestingly, no differences in functional avidity were observed between public and private T cell clonotypes. Collectively, our data indicate that T cell repertoires generated against natural or analog Melan-A peptide exhibited slightly distinct but otherwise overlapping and structurally conserved TCR features, suggesting that the differences in binding affinity/avidity of TCRs toward pMHC observed in the two cohorts of patients are caused by subtle structural TCR variations.

The role of interval nodes in sentinel lymph node mapping and dissection for melanoma patients.

In sentinel node (SN) biopsy, an interval SN is defined as a lymph node or group of lymph nodes located between the primary melanoma and an anatomically well-defined lymph node group directly draining the skin. As shown in previous reports, these interval SNs seem to be at the same metastatic risk as are SNs in the usual, classic areas. This study aimed to review the incidence, lymphatic anatomy, and metastatic risk of interval SNs. METHODS: SN biopsy was performed at a tertiary center by a single surgical team on a cohort of 402 consecutive patients with primary melanoma. The triple technique of localization was used-that is, lymphoscintigraphy, blue dye, and gamma-probe. Otolaryngologic melanoma and mucosal melanoma were excluded from this analysis. SNs were examined by serial sectioning and immunohistochemistry. All patients with metastatic SNs were recommended to undergo a radical selective lymph node dissection. RESULTS: The primary locations of the melanomas included the trunk (188), an upper limb (67), or a lower limb (147). Overall, 97 (24.1%) of the 402 SNs were metastatic. Interval SNs were observed in 18 patients, in all but 2 of whom classic SNs were also found. The location of the primary was truncal in 11 (61%) of the 18, upper limb in 5, and lower limb in 2. One patient with a dorsal melanoma had drainage exclusively in a cervicoscapular area that was shown on removal to contain not lymph node tissue but only a blue lymph channel without tumor cells. Apart from the interval SN, 13 patients had 1 classic SN area and 3 patients 2 classic SN areas. Of the 18 patients, 2 had at least 1 metastatic interval SN and 2 had a classic SN that was metastatic; overall, 4 (22.2%) of 18 patients were node-positive. CONCLUSION: We found that 2 of 18 interval SNs were metastatic: This study showed that preoperative lymphoscintigraphy must review all known lymphatic areas in order to exclude an interval SN.

Circulating Tumor-reactive CD8(+) T cells in melanoma patients contain a CD45RA(+)CCR7(-) effector subset exerting ex vivo tumor-specific cytolytic activity.

To defend the host from malignancies, the immune system can spontaneously raise CD8(+) T-cell responses against tumor antigens. Investigating the functional state of tumor-reactive cytolytic T cells in cancer patients is a key step for understanding the role of these cells in tumor immunosurveillance and for evaluating the potential of immunotherapeutic approaches of vaccination against cancer. In this study we identified a subset of circulating tumor-reactive CD8(+) T lymphocytes, which specifically secreted IFN-gamma after exposition to autologous tumor cell lines in stage IV metastatic melanoma patients. Additional phenotypic characterization using multicolor flow cytometry revealed that a significant fraction of these cells were CD45RA(+)CCR7(-), a phenotype that has been proposed recently to characterize cytolytic effectors potentially able to home into inflamed tissues. In the case of an HLA-A2-expressing patient, the antigen specificity of this population was identified by using HLA-A2/peptide multimers incorporating a tyrosinase-derived peptide. Consistently with their phenotypic characteristics, A2/tyrosinase peptide multimer(+) CD8(+) T cells, isolated by cell sorting, were directly lytic ex vivo and able to specifically recognize tyrosinase-expressing tumor cells. Overall, these results provide the first evidence that a proportion of melanoma patients have circulating tumor-reactive T cells, which are lytic effectors cells.

Nano-particle vaccination combined with TLR-7 and -9 ligands triggers memory and effector CD8⁺ T-cell responses in melanoma patients.

Optimal vaccine strategies must be identified for improving T-cell vaccination against infectious and malignant diseases. MelQbG10 is a virus-like nano-particle loaded with A-type CpG-oligonucleotides (CpG-ODN) and coupled to peptide(16-35) derived from Melan-A/MART-1. In this phase IIa clinical study, four groups of stage III-IV melanoma patients were vaccinated with MelQbG10, given (i) with IFA (Montanide) s.c.; (ii) with IFA s.c. and topical Imiquimod; (iii) i.d. with topical Imiquimod; or (iv) as intralymph node injection. In total, 16/21 (76%) patients generated ex vivo detectable Melan-A/MART-1-specific T-cell responses. T-cell frequencies were significantly higher when IFA was used as adjuvant, resulting in detectable T-cell responses in all (11/11) patients, with predominant generation of effector-memory-phenotype cells. In turn, Imiquimod induced higher proportions of central-memory-phenotype cells and increased percentages of CD127(+) (IL-7R) T cells. Direct injection of MelQbG10 into lymph nodes resulted in lower T-cell frequencies, associated with lower proportions of memory and effector-phenotype T cells. Swelling of vaccine site draining lymph nodes, and increased glucose uptake at PET/CT was observed in 13/15 (87%) of evaluable patients, reflecting vaccine triggered immune reactions in lymph nodes. We conclude that the simultaneous use of both Imiquimod and CpG-ODN induced combined memory and effector CD8(+) T-cell responses.

Prognostic value of sentinel node biopsy in 327 prospective melanoma patients from a single institution

Résumé Etude de la valeur pronostique de la biopsie du ganglion sentinelle dans une étude prospective monocentrique de 327 patients atteints de mélanome malin But II s'agit de confirmer la validité de la biopsie du ganglion sentinelle, d'en définir la morbidité, d'investiguer les facteurs prédictifs pour le statut du ganglion sentinelle ainsi que de déterminer les facteurs pronostiques pour la survie sans récidive et la survie spécifique liée à la maladie. Matériel et méthode D'octobre 1997 à décembre 2004, 327 patients consécutifs présentant un mélanome cutané primaire des membres, du tronc et de la tête, sans adénopathie clinique ni métastase à distance ont été inclus. La biopsie du ganglion sentinelle a été réalisée selon la triple technique (lymphoscintigraphie, colorant bleu vital et sonde de détection gamma). Les paramètres et la survie ont été évalués par différentes analyses de régression logistique multiple selon Cox et la survie évaluée selon Kaplan Meier. Résultats Vingt-trois pour cent des patients présentaient au moins un ganglion sentinelle métastatique, ce qui était associé de façon significative à l'épaisseur selon Breslow (p<0.001). Le taux de succès de la biopsie du ganglion sentinelle était de 99.1% et sa morbidité de 7.6%. Avec une durée médiane de suivi de 33 mois, la survie sans récidive à 5 ans était de 43% pour les patients avec un ganglion sentinelle positif et de 83.5% pour ceux avec un ganglion sentinelle négatif. La survie spécifique liée à la maladie à 5 ans était de 49% pour les patients avec un ganglion sentinelle positif et de 87.4% pour ceux avec un ganglion sentinelle négatif. Le taux de faux négatif de la biopsie du ganglion sentinelle était de 8.6%. L'analyse multivariée a démontré que la survie sans récidive était significativement péjorée par :l'épaisseur selon Breslow (RR=5.6, p<0.001), un ganglion sentinelle positif (RR=5.0, p<0.001), et le sexe masculin (RR=2.9, p=0.001). La survie spécifique liée à la maladie était significativement diminuée par : un ganglion sentinelle métastatique (RR=8.4, p<O.OOI), le sexe masculin (RR=6.1, p<0.001), l'épaisseur selon Breslow (RR=3.2, p=0.013), et la présence d'une ulcération (RR=2.6, p=0.015). Conclusion La biopsie du ganglion sentinelle est une procédure fiable avec une haute sensibilité (91.4%) et une faible morbidité (7.6%). L'épaisseur selon Breslow était le seul facteur prédictif significatif pour le statut du ganglion sentinelle. La survie sans récidive était péjorée selon un ordre décroissant par :l'épaisseur selon Breslow, un ganglion sentinelle métastatique, et le sexe masculin. De façon similaire la survie spécifique liée à la maladie était péjorée par : un ganglion sentinelle métastatique, le sexe masculin, l'épaisseur selon Breslow, et une ulcération. Ces données renforcent le statut du ganglion sentinelle en tant que puissant moyen pour évaluer le stade tumoral ainsi que le pronostic.

Ipilimumab-dependent cell-mediated cytotoxicity of regulatory T cells ex vivo by nonclassical monocytes in melanoma patients.

Enhancing immune responses with immune-modulatory monoclonal antibodies directed to inhibitory immune receptors is a promising modality in cancer therapy. Clinical efficacy has been demonstrated with antibodies blocking inhibitory immune checkpoints such as cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4 (CTLA-4) or PD-1/PD-L1. Treatment with ipilimumab, a fully human CTLA-4-specific mAb, showed durable clinical efficacy in metastatic melanoma; its mechanism of action is, however, only partially understood. This is a study of 29 patients with advanced cutaneous melanoma treated with ipilimumab. We analyzed peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and matched melanoma metastases from 15 patients responding and 14 not responding to ipilimumab by multicolor flow cytometry, antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) assay, and immunohistochemistry. PBMCs and matched tumor biopsies were collected 24 h before (i.e., baseline) and up to 4 wk after ipilimumab. Our findings show, to our knowledge for the first time, that ipilimumab can engage ex vivo FcγRIIIA (CD16)-expressing, nonclassical monocytes resulting in ADCC-mediated lysis of regulatory T cells (Tregs). In contrast, classical CD14(++)CD16(-) monocytes are unable to do so. Moreover, we show that patients responding to ipilimumab display significantly higher baseline peripheral frequencies of nonclassical monocytes compared with nonresponder patients. In the tumor microenvironment, responders have higher CD68(+)/CD163(+) macrophage ratios at baseline and show decreased Treg infiltration after treatment. Together, our results suggest that anti-CTLA-4 therapy may target Tregs in vivo. Larger translational studies are, however, warranted to substantiate this mechanism of action of ipilimumab in patients.

Analysis of BRAF and NRAS Mutation Status in Advanced Melanoma Patients Treated with Anti-CTLA-4 Antibodies: Association with Overall Survival?

Ipilimumab and tremelimumab are human monoclonal antibodies (Abs) against cytotoxic T-lymphocyte antigen-4 (CTLA-4). Ipilimumab was the first agent to show a statistically significant benefit in overall survival in advanced melanoma patients. Currently, there is no proven association between the BRAFV600 mutation and the disease control rate in response to ipilimumab. This analysis was carried out to assess if BRAFV600 and NRAS mutation status affects the clinical outcome of anti-CTLA-4-treated melanoma patients. This is a retrospective multi-center analysis of 101 patients, with confirmed BRAF and NRAS mutation status, treated with anti-CTLA-4 antibodies from December 2006 until August 2012. The median overall survival, defined from the treatment start date with the anti-CTLA-4. Abs-treatment to death or till last follow up, of BRAFV600 or NRAS mutant patients (n = 62) was 10.12 months (95% CI 6.78-13.2) compared to 8.26 months (95% CI 6.02-19.9) in BRAFV600/NRASwt subpopulation (n = 39) (p = 0.67). The median OS of NRAS mutated patients (n = 24) was 12.1 months and although was prolonged compared to the median OS of BRAF mutated patients (n = 38, mOS = 8.03 months) or BRAFV600/NRASwt patients (n = 39, mOS = 8.26 months) the difference didn't reach statistical significance (p = 0.56). 69 patients were able to complete 4 cycles of anti-CTLA-4 treatment. Of the 24 patients treated with selected BRAF- or MEK-inhibitors, 16 patients received anti-CTLA 4 Abs following either a BRAF or MEK inhibitor with only 8 of them being able to finish 4 cycles of treatment. Based on our results, there is no difference in the median OS in patients treated with anti-CTLA-4 Abs implying that the BRAF/NRAS mutation status alone is not sufficient to predict the outcome of patients treated with anti-CTLA-4 Abs.

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.