Cancer immunotherapy aims to exploit immune cells to efficiently target tumors. In my thesis work, we evaluated the reprogramming capacity of CD8 T cells by overexpressing a mitochondrial biogenesis regulator with the goal to improve the anti-tumor potential of adoptive cell transfer (ACT) therapy.
Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1- (PGC-1α) is a master modulator of mitochondrial biogenesis. Through the co-activation of its target transcription factors, PGC-1α promotes mitochondrial DNA replication as well as oxidative phosphorylation (OXPHOS) and fatty acid oxidation (FAO). Since memory CD8 T cells rely on OXPHOS and FAO to sustain their energetical needs, we tested whether PGC-1α overexpression could reprogram CD8 T cells toward memory. Interestingly, PGC-1α-engineered T cells persisted better and enhanced their expression of central memory markers with the overall phenotype of KLRG1- CD127+ and CD62L+ CD44+ upon ACT followed by an acute bacterial infection. In addition, the enforced expression of PGC-1α ameliorated the recall capacity of CD8 T cells upon antigen re-challenge. Metabolically, PGC-1α overexpression promoted mitochondrial fitness, while preserving the cells from ROS-related damages.
Importantly, ACT of PGC-1α-engineered T cells in tumor-bearing mice resulted in an improved tumor control. Consistently, we detected higher frequencies of PGC-1α-transduced T cells at the tumor site and in the periphery. Of note, the enhanced mitochondrial respiration was maintained in PGC-1α-TILs despite the metabolic pressure of the tumor microenvironment (TME). Strikingly, PGC-1α-overexpressing TILs re-transferred in a tumor-free host, and re- challenged with Listeria-OVA infection, remained able to form potent memory cells with improved mitochondrial fitness. However, despite the similar level of PD-1 expression on SCR and PGC-1α-transduced T cells, the combination of PD-1 checkpoint blockade and ACT of PGC- 1α-engineered T cells in tumor-bearing mice did not display an additive effect.
In-depth metabolic evaluation of PGC-1α-transduced cells revealed an increase in metabolites related to purine/pyrimidine pathways as well as FAO. It remains to be assessed whether these metabolites are part of the PGC-1α-mediated mechanisms resulting in CD8 T cell reprograming toward higher persistence and enhanced anti-tumor immunity.
Taken together, we demonstrated the therapeutic potential of targeting PGC-1α in CD8 T cells to improve T cell-based immunotherapy. Consequently, our results highlight the interest of testing drugs/compounds able to promote mitochondrial biogenesis in order to boost the survival and anti-tumor capacity of CD8 T cells.
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L’immunothérapie contre le cancer se définit par l’utilisation des cellules immunitaires afin d’éradiquer la masse tumorale. Dans ce travail de thèse, nous avons évalué la capacité de reprogrammation des lymphocytes T CD8 par la surexpression d’un régulateur clé de la biogenèse mitochondriale afin d’améliorer le potentiel anti-tumoral des cellules génétiquement modifiées.
Le peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1- (PGC-1α) est un important régulateur de transcription impliqué dans la biogenèse mitochondriale. Par la co- activation de ses facteurs de transcriptions cibles, PGC-1α promeut la réplication de l’ADN mitochondrial, ainsi que la phosphorylation oxydative et l’oxydation des acides gras. Au vu de la dépendance des cellules T CD8 mémoires pour la phosphorylation oxydative et la dégradation d’acides gras, nous avons testé si la surexpression de PGC-1α pouvait reprogrammer les cellules T CD8 à devenir mémoires. En effet, les cellules T modifiées pour exprimer PGC-1α, ont démontré une meilleure persistance et une plus grande expression de marqueur de mémoire, caractérisé par KLRG1- CD127+ and CD62L+ CD44+, après leur transfert suivi d’une infection aigüe. De plus, l’augmentation de PGC-1α dans les cellules T a permis d’accroître leur capacité de réponse lors d’une deuxième rencontre avec le même pathogène. Métaboliquement, la surexpression de PGC-1α a favorisé l’activité mitochondriale, tout en préservant les cellules des dommages liés aux ROS.
De surcroît, le transfert adoptif de cellules modifiées pour augmenter PGC-1α dans des souris greffées avec une tumeur, a résulté en un meilleur contrôle de la masse cancéreuse. En association avec un effet anti-tumoral augmenté, nous avons détecté de plus hautes fréquences des cellules sur-exprimant PGC-1α au site de la tumeur ainsi que dans la périphérie. Il est intéressant de relever que l’amélioration de la respiration mitochondriale était maintenue dans les cellules T transduites par PGC-1α même au sein de la tumeur, malgré la pression métabolique et hypoxique du microenvironnement tumoral. De plus, l’isolation de cellules T de la tumeur surexprimant PGC-1α et leur re-transfert dans un nouvel hôte sain, suivi d’une infection aigüe, a démontré que leur capacité à former des cellules mémoires était conservée. Cependant, la combinaison d’un inhibiteur de point de contrôle ciblant PD-1 et le transfert de cellules sur-exprimant PGC-1α n’ont pas conduit à des effets additifs dans des souris portant des tumeurs.
L’évaluation détaillée des métabolites générés par les cellules surexprimant PGC-1α a révélé une augmentation des facteurs liés à la signalisation des purines et pyrimidines, ainsi qu’à la dégradation des acides gras. Il reste à élucider si ces métabolites prennent part aux mécanismes d’actions de la surexpression de PGC-1α menant à la reprogrammation des cellules T CD8 vers une meilleure persistance et réponse contre la tumeur.
Pour conclure, nous avons montré le potentiel thérapeutique de PGC-1α lorsque surexprimé dans les cellules T CD8 afin d’améliorer l’immunothérapie contre le cancer. Au-delà de la manipulation génétique, nos résultats promeuvent l’intérêt de tester des molécules permettant l’augmentation de la biogenèse mitochondriale visant à augmenter la survie et les capacités anti-tumorales des cellules T CD8.