Towards antibody-mediated targeting of dendritic cells for cancer immunotherapy with multivalent polymer-antigen conjugates

Der Fokus dieser Arbeit lag auf der definierten Synthese multifunktioneller Polymer-Konjugate zur Anwendung in der Krebs-Immunotherapie. Durch gezielte Variation der Kon-jugationsbedingungen wurde Zusammensetzung, Größe und Aggregationsverhalten in Zell-medium sowie in humanem Serum untersucht. Nach definierter physikalisch-chemischer Charakterisierung wurde dann die induzierte Antigen-Präsentation zur Aktivierung der T-Zellproliferation analysiert.rnDafür wurden zwei verschiedene polymere Carrier-Systeme gewählt, lineares Poly-L-lysin und eine Polylysinbürste (PLL-Bürste). Es wird vermutet, dass die PLL-Bürste aufgrund der anisotropen Form eine bessere Verteilung im Körper und eine verlängerte Zirkulationsdauer zeigen wird. Die zu konjugierenden biologisch aktiven Komponenten waren der antiDEC205-Antikörper (aDEC205) für die gezielte Adressierung CD8-positiver dendritischer Zellen (DC), ein Ovalbumin (OVA)-spezifisches Antigen mit der Kernsequenz SIINFEKL für die Spezifität der Immunantwort gegen Krebszellen, die dieses Antigen tragen, und ein immunaktivieren-der TLR9-Ligand, CpG1826. Die Effizienz dieses Konjugates dendritische Zellen zu aktivieren, welche wiederum eine Immunantwort gegen OVA-exprimierende Krebszellen induzieren, wurde durch die Konjugation aller Komponenten am identischen Trägermolekül deutlich höher erwartet.rnLineares Poly-L-lysin diente als Modellsystem um die Konjugationschemie zu etablieren und dann auf die zylindrische Polylysinbürste zu übertragen. Anhand dieser polymeren Träger wurde das Verhalten der verschiedenen Topologien des Knäuels und der Bürste im Hinblick auf den Einfluss struktureller Unterschiede sowohl auf Konjugationsreaktionen als auch auf das in situ und in vitro Verhalten untersucht.rnFluoreszenzmarkiertes Antigen und der CpG Aktivator konnten jeweils aufgrund einer Thiol-Modifizierung an die Thiol-reaktive Maleimidgruppe des heterobifunktionellen Linkers Sulfo-SMCC an PLL-AlexaFluor48 konjugiert werden. Anschließend wurde aDEC205-AlexaFluor647 an PLL gekoppelt, entweder durch Schiff Base-Reaktion des oxidierten Antikörpers mit PLL und anschließender Reduzierung oder durch Click-Reaktion des PEG-Azids modifizierten An-tikörpers mit Dicyclobenzylcyclooctin (DIBO)-funktionalisiertem PLL. Die Konjugation der biologisch aktiven Komponenten wurde mit Durchflusszytometrie (FACS) und konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) untersucht und die Zusammensetzung des Konjugatesrnmittels UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Die PLL-Bürste alleine zeigte eine hohe Zytotoxizität bei HeLa und JAWS II Zelllinien, wohingegen lineares PLL und PLL-Konjugate sowie die PLL Bürsten-Konjugate keine ausgeprägte Zytotoxizität aufwiesen. Die Polymer-Konjugate wie-sen keine Aggregation in Zellmedium oder humanem Serum auf, was mittels winkelabhängi-ger dynamischer Lichtstreuung bestimmt wurde. CLSM Aufnahmen zeigten Kolokalisation der an die einzelnen Komponenten gebundenen Fluoreszenzfarbstoffe in dendritischen Zel-len, was die erfolgreiche Konjugation und Internalisierung der Konjugate in die Zellen bele-gen konnte. FACS Messungen ergaben eine geringfügig erhöhte Aufnahme des adressierten PLL-Antigen-Antikörper-Konjugates verglichen mit dem PLL-Antigen-Konjugat. Experimente mit dem „Specific Hybridization Internalization Sensor“ (SHIP) zeigten jedoch nur Aufnahme der PLL-Konjugate in CD8+ unreife DC, nicht in reife DC, die nicht mehr unspezifisch, sondern nur noch über Rezeptoren internalisieren. Dies bewies die unspezifische Aufnahme des Kon-jugates, da Antikörper-Konjugation keine Rezeptor-vermittelte Endozytose in reife DC indu-zieren konnte. T-Zell-Proliferationsassays ergaben eine Aktivierung von CD8+ T-Zellen indu-ziert durch Antigen-tragende Konjugate, wohingegen Konjugate ohne Antigen als Negativ-kontrollen dienten und keine T-Zell-Proliferation erzielten. Es konnte jedoch kein Unter-schied zwischen adressierten und nicht adressierten Konjugaten aufgrund der unspezifischen Aufnahme durch das Polymer beobachtet werden. Lösliches SIINFEKL alleine bewirkte schon bei geringeren Konzentrationen eine T-Zell-Proliferation.rnEs war somit möglich, drei biologischen Komponenten an einen polymeren Träger zu konju-gieren und diese Konjugate im Hinblick auf Zusammensetzung, Größe, Internalisierung in dendritische Zellen und Aktivierung der T-Zell-Proliferation zu untersuchen. Außerdem wur-de die Konjugationschemie erfolgreich von dem Modellsystem des linearen PLL auf die PLL-Bürste übertragen. Die Polymer-Konjugate werde unspezifisch in DC aufgenommen und in-duzieren T-Zellproliferation, die mit Antigen-Präsentationsassays nachgewiesen wird. Es konnte jedoch durch Konjugation des Antikörpers keine Rezeptor-vermittelte Aufnahme in CD8+ DC erzielt werden.rnDiese Studien stellen einen erfolgsversprechenden ersten Schritt zur Entwicklung neuer Na-nomaterialien für die Anwendung in Krebs-Immuntherapie dar.

Functional characterization of the placenta specific protein PLAC1 and its use for cancer immunotherapy

Summary Antibody-based cancer therapies have been successfully introduced into the clinic and have emerged as the most promising therapeutics in oncology. The limiting factor regarding the development of therapeutical antibody vaccines is the identification of tumor-associated antigens. PLAC1, the placenta-specific protein 1, was categorized for the first time by the group of Prof. Sahin as such a tumor-specific antigen. Within this work PLAC1 was characterized using a variety of biochemical methods. The protein expression profile, the cellular localization, the conformational state and especially the interacting partners of PLAC1 and its functionality in cancer were analyzed. Analysis of the protein expression profile of PLAC1 in normal human tissue confirms the published RT-PCR data. Except for placenta no PLAC1 expression was detectable in any other normal human tissue. Beyond, an increased PLAC1 expression was detected in several cancer cell lines derived of trophoblastic, breast and pancreatic lineage emphasizing its properties as tumor-specific antigen. rnThe cellular localization of PLAC1 revealed that PLAC1 contains a functional signal peptide which conducts the propeptide to the endoplasmic reticulum (ER) and results in the secretion of PLAC1 by the secretory pathway. Although PLAC1 did not exhibit a distinct transmembrane domain, no unbound protein was detectable in the cell culture supernatant of overexpressing cells. But by selective isolation of different cellular compartments PLAC1 was clearly enriched within the membrane fraction. Using size exclusion chromatography PLAC1 was characterized as a highly aggregating protein that forms a network of high molecular multimers, consisting of a mixture of non-covalent as well as covalent interactions. Those interactions were formed by PLAC1 with itself and probably other cellular components and proteins. Consequently, PLAC1 localize outside the cell, where it is associated to the membrane forming a stable extracellular coat-like structure.rnThe first mechanistic hint how PLAC1 promote cancer cell proliferation was achieved identifying the fibroblast growth factor FGF7 as a specific interacting partner of PLAC1. Moreover, it was clearly shown that PLAC1 as well as FGF7 bind to heparin, a glycosaminoglycan of the ECM that is also involved in FGF-signaling. The participation of PLAC1 within this pathway was approved after co-localizing PLAC1, FGF7 and the FGF7 specific receptor (FGFR2IIIb) and identifying the formation of a trimeric complex (PLAC1, FGF7 and the specific receptor FGFR2IIIb). Especially this trimeric complex revealed the role of PLAC1. Binding of PLAC1 together with FGF7 leads to the activation of the intracellular tyrosine kinase of the FGFR2IIIb-receptor and mediate the direct phosphorylation of the AKT-kinase. In the absence of PLAC1, no FGF7 mediated phosphorylation of AKT was observed. Consequently the function of PLAC1 was clarified: PLAC1 acts as a co-factor by stimulating proliferation by of the FGF7-FGFR2 signaling pathway.rnAll together, these novel biochemical findings underline that the placenta specific protein PLAC1 could be a new target for cancer immunotherapy, especially considering its potential applicability for antibody therapy in tumor patients.

From "magic bullets" to specific cancer immunotherapy

The immune system is able to specifically target antigen-expressing cancer cells. The promise of immunotherapy was to eliminate cancer cells without harming normal tissue and, therefore, with no or very few side effects. Immunotherapy approaches have, for several decades, been tested against several tumours, most often against malignant melanoma. However, although detectable immune responses have regularly been induced, the clinical outcome has often been disappointing. The development of molecular methods and an improved understanding of tumour immunosurveillance led to novel immunotherapy approaches in the last few years. First randomised phase III trials proved that immunotherapy can prolong survival of patients with metastatic melanoma or prostate cancer. The development in the field is very rapid and various molecules (mainly monoclonal antibodies) that activate the immune system are currently being tested in clinical trials and will possibly change our treatment of cancer. The ultimate goal of any cancer therapy and also immunotherapy is to cure cancer. However, this depends on the elimination of the disease originating cancer stem cells. Unfortunately, cancer stem cells seem resistant to most available treatment options. Recent developments in immunotherapy may allow targeting these cancer stem cells specifically in the future. In this review, we summarise the current state of immunotherapy in clinical routine and the expected developments in the near future.

Bacillus Calmette-Guérin strain differences have an impact on clinical outcome in bladder cancer immunotherapy

BACKGROUND Whether the commonly used bacillus Calmette-Guérin (BCG) strains Connaught and Tice confer different treatment responses in non-muscle-invasive bladder cancer (NMIBC) is unknown. OBJECTIVES To compare clinical efficacy, immunogenicity, and genetics of BCG Connaught and Tice. DESIGN, SETTING, AND PARTICIPANTS A prospective randomized single-institution trial with treatment of 142 high-risk NMIBC patients with BCG Connaught or Tice. INTERVENTION Patients were randomized to receive six instillations of BCG Connaught or Tice. For experimental studies, BCG strains were compared in C57Bl/6 mice. Bladders and lymphoid tissues were analyzed by cytometry and the latter cultivated to detect live BCG. BCG genomic DNA was sequenced and compared with reference genomes. OUTCOME MEASUREMENTS AND STATISTICAL ANALYSIS Recurrence-free survival was the primary end point of the clinical study. The Kaplan-Meier estimator was used for estimating survival and time-to-event end points. Nonparametric tests served for the analysis of the in vivo results. RESULTS AND LIMITATIONS Treatment with BCG Connaught conferred significantly greater 5-yr recurrence-free survival compared with treatment with BCG Tice (p=0.0108). Comparable numbers of patients experienced BCG therapy-related side effects in each treatment group (p=0.09). In mice, BCG Connaught induced stronger T-helper cell 1-biased responses, greater priming of BCG-specific CD8(+) T cells, and more robust T-cell recruitment to the bladder than BCG Tice. Genome sequencing of the BCG strains revealed candidate genes potentially involved in the differential clinical responses. CONCLUSIONS BCG strain may have an impact on treatment outcome in NMIBC immunotherapy. PATIENT SUMMARY We compared the efficacy of two commonly used bacillus Calmette-Guérin (BCG) strains for the treatment of NMIBC and found that treatment with BCG Connaught prevented recurrences more efficiently than BCG Tice. Comparison of the immunogenicity of the two strains in mice indicated superior immunogenicity of BCG Connaught. We also identified genetic differences that may explain the differential efficacy of the Connaught and Tice BCG strains. TRIAL REGISTRATION NCT00003779.

Natural killer cell lines kill autologous β2-microglobulin-deficient melanoma cells: Implications for cancer immunotherapy

Cancer vaccines used to generate specific cytotoxic T lymphocytes are not effective against tumor cells that have lost or suppressed expression of their class I major histocompatibility complex proteins. This loss is common in some cancers and particularly in metastatic lesions. We show that β2-microglobulin-deficient class I-negative melanoma variants derived from patients undergoing specific T cell therapy are lysed by heterologous as well as autologous natural killer (NK) lines and clones, but not by specific T cells. Moreover, the minor NK cell fraction but not the major T cell fraction derived from heterologous lymphokine activated killer cells kills those tumor cell lines. ICAM-1 expression by the different class I protein deficient tumors was correlated with their sensitivity to lysis by NK cells. Adoptive autologous NK therapy may be an important supplement to consider in the design of new cancer immunotherapies.

Dual stimulation of antigen presenting cells using carbon nanotube-based vaccine delivery system for cancer immunotherapy

Although anti−cancer immuno−based combinatorial therapeutic approaches have shown promising results, efficient tumour eradication demands further intensification of anti−tumour immune response. With the emerging field of nanovaccinology, multi−walled carbon nanotubes (MWNTs) have manifested prominent potentials as tumour antigen nanocarriers. Nevertheless, the utilization of MWNTs in co−delivering antigen along with different types of immunoadjuvants to antigen presenting cells (APCs) has not been investigated yet. We hypothesized that harnessing MWNT for concurrent delivery of cytosine−phosphate−guanine oligodeoxynucleotide (CpG) and anti-CD40 Ig (αCD40), as immunoadjuvants, along with the model antigen ovalbumin (OVA) could potentiate immune response induced against OVA−expressing tumour cells. We initially investigated the effective method to co−deliver OVA and CpG using MWNT to the APC. Covalent conjugation of OVA and CpG prior to loading onto MWNTs markedly augmented the CpG−mediated adjuvanticity, as demonstrated by the significantly increased OVA−specific T cell responses in vitro and in C57BL/6 mice. αCD40 was then included as a second immunoadjuvant to further intensify the immune response. Immune response elicited in vitro and in vivo by OVA, CpG and αCD40 was significantly potentiated by their co−incorporation onto the MWNTs. Furthermore, MWNT remarkably improved the ability of co−loaded OVA, CpG and αCD40 in inhibiting the growth of OVA−expressing B16F10 melanoma cells in subcutaneous or lung pseudo−metastatic tumour models. Therefore, this study suggests that the utilization of MWNTs for the co−delivery of tumour−derived antigen, CpG and αCD40 could be a competent approach for efficient tumours eradication.

Low dose gemcitabine-loaded lipid nanocapsules target monocytic myeloid-derived suppressor cells and potentiate cancer immunotherapy

International audience

Immune responses against major histocompatibility complex and interleukin-2 gene transfected K1735 murine melanoma: Potential vaccines for the immunotherapy of cancer

Tumor specific immunity is mediated by cytotoxic T lymphocytes (CTL) that recognize peptide antigen (Ag) in the context of major histocompatibility complex (MHC) class I molecules and by helper T (Th) lymphocytes that recognize peptide Ag in the context of MHC class II molecules. The purpose of this study is (1) to induce or augment the immunogenicity of nonimmunogenic or weakly immunogenic tumors by genetic modification of tumor cells, and (2) to use these genetically altered cells in cancer immunotherapy. To study this, I transfected a highly tumorigenic murine melanoma cell line (K1735) that did not express constitutively either MHC class I or II molecules with syngeneic cloned MHC class I and/or class II genes, and then determined the tumorigenicity of transfected cells in normal C3H mice. K1735 transfectants expressing either $\rm K\sp{k}$ or $\rm A\sp{k}$ molecules alone produced tumors in normal C3H mice, whereas most transfectants that expressed both molecules were rejected in normal C3H mice but produced tumors in nude mice. The rejection of K1735 transfectants expressing $\rm K\sp{k}$ and $\rm A\sp{k}$ Ag in normal C3H mice required both $\rm CD4\sp+$ and $\rm CD8\sp+$ T cells. Interestingly, the $\rm A\sp{k}$ requirement can be substituted by IL-2 because transfection of $\rm K\sp{k}$-positive/A$\sp{\rm k}$-negative K1735 cells with the IL-2 gene also resulted in abrogation of tumorigenicity in normal C3H mice but not in nude mice. In addition, 1735 $(\rm I\sp+II\sp+)$ transfected cells can function as antigen presenting cells (APC) since they could process and present native hen egg lysozyme (HEL) to HEL specific T cell hybridomas. Furthermore, the transplantation immunity induced by K1735 transfectants expressing both $\rm K\sp{k}$ and $\rm A\sp{k}$ molecules completely cross-protected mice against challenge with $\rm K\sp{k}$-positive transfectants but weakly protected them against challenge with parental K1735 cells or $\rm A\sp{k}$-positive transfectants. Finally, I demonstrated that MHC $(\rm I\sp+II\sp+)$ or $\rm K\sp{k}$-positive/IL-2-positive cells can function as anti-cancer vaccines since they can abrogate the growth of established tumors and metastasis.^ In summary, my results indicate that expression of either MHC class I or II molecule alone is insufficient to cause the rejection of K1735 melanoma in syngeneic hosts and that both molecules are necessary. In addition, my data suggest that the failure of $\rm K\sp{k}$-positive K1735 cells to induce a primary tumor-rejection response in normal C3H mice may be due to their inability to induce the helper arm of the anti-tumor immune response. Finally, the ability of MHC $(\rm I\sp+II\sp+)$ or $\rm K\sp{k}$-positive/IL-2-positive cells to prevent growth of established tumors or metastasis suggests that these cell lines can serve as potential vaccines for the immunotherapy of cancer. (Abstract shortened by UMI.) ^

Characterization of cancer/testis antigen MAGE-A11 for immunotherapy of prostate cancer

Les antigènes testiculaires du cancer sont des cibles idéales pour l’immunothérapie du cancer car ce sont des protéines immunogéniques dont l’expression est restreinte aux cellules germinales et au cancer. Le but de cette étude est d’évaluer le potentiel de MAGE-A11, un antigène testiculaire du cancer, comme cible pour développer un vaccin contre le cancer de la prostate. Pour ce faire, l’anticorps monoclonal 5C4 qui a la capacité de reconnaître la présence de MAGE-A11 dans les tissus fixés et inclus en paraffine a été produit. De plus, l’expression de MAGE-A11 a été analysée sur plusieurs lignées de cellules cancéreuses. Il a été démontré que MAGE-A11 est exprimé dans plusieurs types de cancers notamment dans le cancer du côlon et du cerveau. Finalement, nous avons identifié trois épitopes du CMH classe II HLA-DR1 dans la protéine MAGE-A11 confirmant ainsi l’immunogénicité de cet antigène et son potentiel comme cible pour l’immunothérapie du cancer.

Human Kallikrein 4 signal peptide induces cytotoxic T cell responses in healthy donors and prostate cancer patients.

Immunotherapy is a promising new treatment for patients with advanced prostate and ovarian cancer, but its application is limited by the lack of suitable target antigens that are recognized by CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTL). Human kallikrein 4 (KLK4) is a member of the kallikrein family of serine proteases that is significantly overexpressed in malignant versus healthy prostate and ovarian tissue, making it an attractive target for immunotherapy. We identified a naturally processed, HLA-A*0201-restricted peptide epitope within the signal sequence region of KLK4 that induced CTL responses in vitro in most healthy donors and prostate cancer patients tested. These CTL lysed HLA-A*0201+ KLK4 + cell lines and KLK4 mRNA-transfected monocyte-derived dendritic cells. CTL specific for the HLA-A*0201-restricted KLK4 peptide were more readily expanded to a higher frequency in vitro compared to the known HLA-A*0201-restricted epitopes from prostate cancer antigens; prostate-specific antigen (PSA), prostate-specific membrane antigen (PSMA) and prostatic acid phosphatase (PAP). These data demonstrate that KLK4 is an immunogenic molecule capable of inducing CTL responses and identify it as an attractive target for prostate and ovarian cancer immunotherapy.

Blockade of PD-1/PD-L1 promotes adoptive T-Cell immunotherapy in a tolerogenic environment

Adoptive cellular immunotherapy using in vitro expanded CD8+ T cells shows promise for tumour immunotherapy but is limited by eventual loss of function of the transferred T cells through factors that likely include inactivation by tolerogenic dendritic cells (DC). The coinhibitory receptor programmed death-1 (PD-1), in addition to controlling T-cell responsiveness at effector sites in malignancies and chronic viral diseases is an important modulator of dendritic cell-induced tolerance in naive T cell populations. The most potent therapeutic capacity amongst CD8+ T cells appears to lie within Tcm or Tcm-like cells but memory T cells express elevated levels of PD-1. Based on established trafficking patterns for Tcm it is likely Tcm-like cells interact with lymphoid-tissue DC that present tumour-derived antigens and may be inherently tolerogenic to develop therapeutic effector function. As little is understood of the effect of PD-1/PD-L1 blockade on Tcm-like CD8+ T cells, particularly in relation to inactivation by DC, we explored the effects of PD-1/PD-L1 blockade in a mouse model where resting DC tolerise effector and memory CD8+ T cells. Blockade of PD-1/PDL1 promoted effector differentiation of adoptively-transferred Tcm-phenotype cells interacting with tolerising DC. In tumour-bearing mice with tolerising DC, effector activity was increased in both lymphoid tissues and the tumour-site and anti-tumour activity was promoted. Our findings suggest PD-1/PD-L1 blockade may be a useful adjunct for adoptive immunotherapy by promoting effector differentiation in the host of transferred Tcmlike cells. © 2015 Blake et al.

Stimulating immune responses to fight cancer: Basic biology and mechanisms

Chronic inflammation is now recognized as a major cause of malignant disease. In concert with various mechanisms (including DNA instability), hypoxia and activation of inflammatory bioactive lipid pathways and pro-inflammatory cytokines open the doorway to malignant transformation and proliferation, angiogenesis, and metastasis in many cancers. A balance between stimulatory and inhibitory signals regulates the immune response to cancer. These include inhibitory checkpoints that modulate the extent and duration of the immune response and may be activated by tumor cells. This contributes to immune resistance, especially against tumor antigen-specific T-cells. Targeting these checkpoints is an evolving approach to cancer immunotherapy, designed to foster an immune response. The current focus of these trials is on the programmed cell death protein 1 (PD-1) receptor and its ligands (PD-L1, PD-L2) and cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA-4). Researchers have developed anti-PD-1 and anti-PDL-1 antibodies that interfere with the ligands and receptor and allow the tumor cell to be recognized and attacked by tumor-infiltrating T-cells. These are currently being studied in lung cancer. Likewise, CTLA-4 inhibitors, which have had success treating advanced melanoma, are being studied in lung cancer with encouraging results.

An evaluation of reovirus as an effective therapeutic for cancer

Cancer is a global problem. Despite the significant advances made in recent years, a definitively effective therapeutic has yet to be developed. Oncolytic virology has fallen back into favour for the treatment of cancer with several viruses and viral vectors currently under investigation including vesicular stomatitis virus (VSV), adenovirus vectors and herpes simplex virus (HSV) vectors. Reovirus has an advantage over many viral vectors in that its wild-type form is non-pathogenic and will selectively infect transformed cells, particularly those mutated in the Ras pathway. These advantages make Reovirus an ideal candidate as a safe and non-toxic therapeutic. The aim of the first part of this study was to determine the effect, if any, of Reovirus on cell lines derived from cancers of the gastrointestinal tract. These cancers, particularly those of the oesophagus and stomach, have extremely poor prognoses and little improvement has been seen in survival of these patients in recent years. Reovirus as a single therapy showed promising results in cell lines of oesophageal, gastric and colorectal origin. Further study of partially resistant cell lines using a combination of Reovirus and conventional therapies, either chemotherapy or radiation, showed that a multi-modal approach to therapy is possible with Reovirus and no antagonism between Reovirus and other treatments was observed. The second part of this study focused on investigating a novel use of Reovirus in an in vivo setting. Cancer vaccination or the use of vaccines in cancer therapy is gaining momentum and success has been seen both in a prophylactic approach and a therapeutic approach. A cell-based Reovirus vaccine was used in both these approaches with encouraging success. When used as a prophylactic vaccine tumour development was subsequently inhibited even upon exposure to a tumorigenic dose of cells. The use of the cell-based Reovirus vaccine as a therapeutic for established tumours showed significant delay in tumour growth and a prolongation of survival in all models. This study has proven that Reovirus is an effective therapeutic in a range of cancers and the successful use of a cell-based Reovirus vaccine leads the way for new advancements in cancer immunotherapy.

Immuno-oncology of human prostate cancer : phenotypical characterization and study of the tumor-derived, androgen-regulated immunosuppressive microenvironment

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes canadiens et la troisième cause de décès relié au cancer. Lorsque diagnostiqué à un stade précoce de la maladie, le cancer de la prostate est traité de manière curative par chirurgie et radiothérapie. Par contre, les thérapies actuelles ne peuvent éradiquer la maladie lorsqu’elle progresse à des stades avancés. Ces thérapies, comme la chimiothérapie et l’hormonothérapie, demeurent donc palliatives. Il est primordial d’optimiser de nouvelles thérapies visant l’élimination des cellules cancéreuses chez les patients atteints des stades avancés de la maladie. Une de ces nouvelles options thérapeutiques est l’immunothérapie. L’immunothérapie du cancer a fait des progrès considérables durant les dernières années. Cependant, les avancements encourageants obtenus lors d’essais précliniques ne se sont pas encore traduits en des résultats cliniques significatifs. En ce qui concerne le cancer de la prostate, les résultats négligeables suivants des interventions immunothérapeutiques peuvent être causés par le fait que la plupart des études sur le microenvironnement immunologique furent effectuées chez des modèles animaux. De plus la majorité des études sur l’immunologie tumorale humaine furent effectuées chez des patients atteints d’autres cancers, tels que le mélanome, et non chez les patients atteints du cancer de la prostate. Donc, le but central de cette thèse de doctorat est d’étudier le microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate afin de mieux définir les impacts de la tumeur sur le développement de la réponse immunitaire antitumorale. Pour réaliser ce projet, nous avons établi deux principaux objectifs de travail : (i) la caractérisation précise des populations des cellules immunitaires infiltrant la tumeur primaire et les ganglions métastatiques chez les patients atteints du cancer de la prostate; (ii) l’identification et l’étude des mécanismes immunosuppressifs exprimés par les cellules cancéreuses de la prostate. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la progression du cancer de la prostate est associée au développement d’un microenvironnement immunosuppressif qui, en partie, est régulé par la présence des androgènes. L’étude initiale avait comme but la caractérisation du microenvironnement immunologique des ganglions drainant la tumeur chez des patients du cancer de la prostate. Les résultats présentés dans le chapitre III nous a permis de démontrer que les ganglions métastatiques comportent des signes cellulaires et histopathologiques associés à une faible réactivité immunologique. Cette immunosuppression ganglionnaire semble dépendre de la présence des cellules métastatiques puisque des différences immunologiques notables existent entre les ganglions non-métastatiques et métastatiques chez un même patient. La progression du cancer de la prostate semble donc associée au développement d’une immunosuppression affectant les ganglions drainant la tumeur primaire. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l’impact de la thérapie par déplétion des androgènes (TDA) sur le microenvironnement immunologique de la tumeur primaire. La TDA est associée à une augmentation marquée de l’inflammation prostatique. De plus, les protocoles d’immunothérapies pour le cancer de la prostate actuellement évalués en phase clinique sont dirigés aux patients hormonoréfractaires ayant subi et échoué la thérapie. Cependant, peu d’information existe sur la nature de l’infiltrat de cellules immunes chez les patients castrés. Il est donc essentiel de connaître la nature de cet infiltrat afin de savoir si celui-ci peut répondre de manière favorable à une intervention immunothérapeutique. Dans le chapitre IV, je présente les résultats sur l’abondance des cellules immunes infiltrant la tumeur primaire suivant la TDA. Chez les patients castrés, les densités de lymphocytes T CD3+ et CD8+ ainsi que des macrophages CD68+ sont plus importantes que chez les patients contrôles. Nous avons également observé une corrélation entre la densité de cellules NK et une diminution du risque de progression de la maladie (rechute biochimique). Inversement, une forte infiltration de macrophages est associée à un plus haut risque de progression. Conjointement, durant cette étude, nous avons développé une nouvelle approche informatisée permettant la standardisation de la quantification de l’infiltrat de cellules immunes dans les échantillons pathologiques. Cette approche facilitera la comparaison d’études indépendantes sur la densité de l’infiltrat immun. Ces résultats nous ont donc permis de confirmer que les effets pro-inflammatoires de la TDA chez les patients du cancer de la prostate ciblaient spécifiquement les lymphocytes T et les macrophages. L’hypothèse intéressante découlant de cette étude est que les androgènes pourraient réguler l’expression de mécanismes immunosuppressifs dans la tumeur primaire. Dans le chapitre V, nous avons donc étudié l’expression de mécanismes immunosuppressifs par les cellules cancéreuses du cancer de la prostate ainsi que leur régulation par les androgènes. Notre analyse démontre que les androgènes augmentent l’expression de molécules à propriétés immunosuppressives telles que l’arginase I et l’arginase II. Cette surexpression dépend de l’activité du récepteur aux androgènes. Chez les patients castrés, l’expression de l’arginase II était diminuée suggérant une régulation androgénique in vivo. Nous avons observé que l’arginase I et l’arginase II participent à la prolifération des cellules du cancer de la prostate ainsi qu’à leur potentiel immunosuppressif. Finalement, nous avons découvert que l’expression de l’interleukin-8 était aussi régulée par les androgènes. De plus, l’interleukin-8, indépendamment des androgènes, augmente l’expression de l’arginase II. Ces résultats confirment que les androgènes participent au développement d’une microenvironnement immunosuppressif dans le cancer de la prostate en régulant l’expression de l’arginase I, l’arginase II et l’interleukin-8. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse témoignent du caractère unique du microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate. Nos travaux ont également permis d’établir de nouvelles techniques basées sur des logiciels d’analyse d’image afin de mieux comprendre le dialogue entre la tumeur et le système immunitaire chez les patients. Approfondir les connaissances sur les mécanismes de régulation du microenvironnement immunologique chez les patients atteint du cancer de la prostate permettra d’optimiser des immunothérapies mieux adaptées à éradiquer cette maladie.

Caractérisation de DKK1 comme antigène tumoral et manipulation des lymphocytes T CD8 : utilisation de la voie de Wnt en immunothérapie du cancer

L’immunothérapie tumorale à médiation cellulaire est un traitement qui utilise le système immunitaire des patients afin d’induire une réponse des lymphocytes T CD8+ (T CD8+) contre la tumeur. Cette réponse est produite suite à la reconnaissance des antigènes par les T CD8+. Ces cibles sont appelées antigènes tumoraux (TAA) et définies comme des protéines exprimées par les cellules cancéreuses mais absentes des tissus normaux. Par une approche bio-informatique, notre laboratoire a identifié Dickkopf-1 (DKK1), une protéine inhibitrice de la voie de Wnt, comme un TAA potentiel. Une immunothérapie à médiation cellulaire efficace requiert l’identification de TAA candidats pertinents. Le traitement de patients par immunothérapie pourrait également être améliorées par l’augmentation de la puissance d’action anti-tumorale ainsi que la persistante des T CD8+ spécifiques aux TAA. Ce projet de doctorat se divise en deux parties : 1- La caractérisation de l’expression de DKK1 dans les cancers communs et la détermination de son immunogénicité afin de valider sa candidature comme TAA. 2- La reprogrammation des T CD8+, de patients atteints d’un cancer commun, vers un phénotype moins différentié afin d’augmenter leur potentiel anti-tumoral et leur persistance. Dans le premier objectif, nous avons caractérisé l’expression de DKK1 dans le cancer du sein et dans d’autres cancers communs. Le profil d’expression de DKK1 a été étudié par RT-PCR et par ELISA dans plusieurs lignées cellulaires de cancer et dans les tissus normaux. L’expression de DKK1 a aussi été étudiée dans des échantillons cliniques provenant de cancers du sein, du poumon et du rein. Trente pourcents (30%) des tumeurs provenant d’un cancer du sein exprimaient DKK1. La moitié des tumeurs DKK1(+) était triple négative, donc pas de récepteurs d’œstrogène et de progestérone et était Her-2/neu(-) (ces patientes ont des possibilités de traitements très restreintes). De plus, 50% des échantillons cliniques de tumeurs du poumon et 30% des tumeurs de rein exprimaient DKK1. Les observations effectuées dans le cancer du poumon ont été, par la suite, corroborées par d'autres groupes qui ont montré une corrélation entre l'expression de DKK1 et un mauvais pronostic. Après avoir confirmée l’expression de DKK1 dans les cancers communs, justifiant ainsi sa candidature comme TAA, nous avons évalué l’immunogénicité de DKK1. Pour ce faire, nous avons effectué des stimulations in vitro de cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC) de patient(e)s atteint(e)s d’un cancer du sein ou du poumon avec des peptides dérivés de DKK1 pouvant être présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité (CMH) HLA-A*0201. Des clones de T CD8+ reconnaissant un peptide de DKK1 ont été identifiés et isolés. Par essai multiplex et cytométrie de flux intracellulaire, la polyfonctionnalité d’un ces clones T CD8+ spécifiques à DKK1 a été étudiée et a révélée un profil effecteur, renforçant ainsi la candidature de DKK1 comme TAA. Dans l’ensemble, les résultats obtenus dans cette première partie de thèse suggèrent une possible utilisation de DKK1 en immunothérapie contre les cancers communs, attribuable à son expression dans ces cancers et la possibilité de faire proliférer des T CD8+ effecteurs spécifiques à DKK1 à partir de sang de patients. Dans la seconde partie de cette thèse, je décrirai la manipulation in vitro des T CD8+ de patients atteints d’un cancer commun, afin d’augmenter la force et la durée de leurs fonctions anti-tumorales. Il a été démontré que des lymphocytes moins différentiés sont capables d’une réponse immunologique plus efficace et durable. Nous avons basé ce projet sur l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique de la GSK-3, pour activer de la voie de Wnt chez les T CD8+ et ainsi leur conférer un phénotype moins différentié, partageant des caractéristiques de la cellule naïve et de la cellule mémoire. Des cultures de T CD8+, spécifiques à des antigènes viraux, en présence de l’inhibiteur ont permis d’augmenter la sécrétion d’interféron (IFN)- et leur activité cytotoxique. Ces résultats indiquent un effet de l’activation de la voie de Wnt sur la fonction des T CD8+. Ces observations sont rapportées pour la première fois chez les T CD8+ humains et suggèrent une nouvelle stratégie, applicables à l’immunothérapie du cancer, afin de prolonger la persistance des cellules ainsi que leur activité anti-tumorale. En conclusion, ces travaux de recherche ont mené à la réalisation d’une étape très importante dans la validation de la candidature de DKK1 comme TAA pour les cancers communs, soit la démonstration de son expression dans ces cancers et son absence dans les tissus normaux dérivés d’organes importants. Ces travaux ont également mené à la démonstration de l’immunogénicité de DKK1, par l’identification d’un peptide de DKK1 reconnu par les T CD8+. De plus, l’étude de la polyfonctionnalité des T CD8+ spécifiques à DKK1 a révélée un profil effecteur favorable pour l’obtention d’une réponse anti-tumorale efficace. Ces découvertes pourraient servir à l’élaboration d’une stratégie d’immunothérapie à médiation cellulaire pour les cancers communs. Pour sa part, l’étude phénotypique et fonctionnelle de la modulation de la voie de Wnt dans les T CD8+ a donné lieu à l’observation d’un phénotype encore jamais rapporté chez l’humain, conférant aux T CD8+ un aspect moins différentié avec des caractéristiques propre à un phénotype mémoire. Ces résultats sont pertinents dans l’amélioration de l’immunothérapie du cancer, passant par l’augmentation de la persistance des lymphocytes. En résumé, les résultats présentés dans cette thèse de doctorat fournissent des évidences indéniables quant à la validation de DKK1 comme TAA pour une immunothérapie à médiation cellulaire des cancers communs. Ces résultats fournissent également des preuves quant à la pertinence de la reprogrammation des T CD8+ par l’activation de la voie de la voie de Wnt, afin de générer des lymphocytes médiateurs plus efficaces pour ce type de thérapie.