Une multitude d’études ont confirmé l’immense potentiel clinique des immunothérapies antitumorales. Ces dernières visent à induire, amplifier ou rediriger le système immunitaire contre la tumeur du patient. Parmi diverses immunothérapies, le transfert adoptif de globules blancs appelés lymphocytes (ACT) se fonde sur i) l’extraction des lymphocytes du système immunitaire d’un patient issues du sang ou la tumeur ii) la sélection des lymphocytes effecteurs dirigés contre la tumeur, iii) leur expansion clonale en laboratoire (in vitro), iv) la réinjection des lymphocytes amplifiées dans le patient afin de bénéficier d’un nombre conséquent de cellules pouvant détruire spécifiquement la tumeur. L’ACT repose sur la reconnaissance effective des cellules tumorales cibles, grâce à des éléments protéiques (peptides) présentés à leur surface et appelés antigènes (Ags). Issus de protéines intracellulaires clivées et présentées en surface par des complexes particuliers, les Ags permettent aux lymphocytes T de détecter des anomalies ou des infections virales ayant induit un changement protéique grâce à leur récepteur membranaire unique spécifique d’un Ag (« T cell receptor » : TCR). La force d’interaction entre le TCR (exprimé par les lymphocytes) et l’Ag (présenté par les cellules tumorales) est un paramètre clé corrélant avec la réponse immunitaire antitumorale. Les lymphocytes T sont éduqués dans le thymus pour ne survivre et s’activer qu’en cas d’interaction forte avec des Ags du « non-soi ». Toutefois, les tumeurs présentent fréquemment des Ags du « soi » générant des interactions faibles avec la majorité des TCRs et limitant ainsi les réponses antitumorales. La récente découverte d’Ags issus de mutations tumorales, appelés néoantigènes (NeoAgs), a suscité un nouvel espoir en oncologie. Constituant un élément du « non-soi », la présence de ces NeoAgs et de mutations tumorales ont été corrélés à de nombreux succès thérapeutiques. En revanche, leur supériorité face aux Ags « soi » (TAA) surexprimés par les tumeurs n’a pas été clairement démontrée et l’analyse des interactions entre lymphocytes T et divers Ags tumoraux est nécessaire afin de renforcer leur intérêt et améliorer leur sélection. Ce projet de thèse vise à améliorer l’ACT par l’identification des meilleurs Ags cibles et l’isolation des lymphocytes T les plus fonctionnels. La caractérisation des lymphocytes T ciblant les NeoAgs, TAAs et Ags viraux a été effectuée de manière approfondie. Cette étude a démontré que les cellules T visant les NeoAgs et Ags tumoraux ne sont pas fonctionnellement différentes, à l'inverse des interactions biophysiques, plus élevées pour celles ciblant les NeoAgs. De plus, les lymphocytes T isolés des tumeurs ont présenté une meilleure fonction et affinité d’interaction que les homologues du sang, démontrant la meilleure capacité des cellules hautement fonctionnelles à infiltrer la tumeur et à se multiplier. Enfin, la corrélation entre l’affinité TCR- Ag, la fonction cellulaire et le contrôle tumoral in vivo ont prouvé l’intérêt d’utiliser des méthodes biophysiques stables évaluant rapidement le potentiel thérapeutique d’une cellule.
Ces observations ont permis en annexe l’établissement d’outils pour rapidement identifier les lymphocytes T à haut intérêt thérapeutique.
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Le rôle des lymphocytes T dans le contrôle d’un grand nombre de tumeurs n’est plus à questionner. Cependant, le type d’antigènes permettant au système immunitaire de distinguer les cellules tumorales des cellules saines reste flou. De nombreuses études montrent que des antigènes dérivés de mutations somatiques des tumeurs donnent lieu à des séquences peptidiques nouvelles, appelées neoantigènes (NeoAg), qui sont absentes du génome et du protéome des cellules saines. Ces NeoAg sont donc des antigènes pour cibler spécifiquement les tumeurs et de nombreuses études les associent aux réponses cliniques des immunothérapies.
De surcroit, en plus de leur spécificité tumorale, ces antigènes étant du « non-soi », il n’existe pas de tolérances des cellules les reconnaissant (au même titre que les cellules ciblant des antigènes viraux et donc au contraire des antigènes dérivés d’antigènes associés aux tumeurs (AAT)). Cela suggère que les cellules ciblant les NeoAg devraient être d’avantage fonctionnels que celles ciblant les AAT (pour lesquels les lymphocytes les plus fonctionnels ont été éliminés). Cependant, les différences fonctionnelles entre cellules ciblant les NeoAg ou les AAT n’ont jamais été établies, au même titre que leur autres caractéristiques phénotypiques ou moléculaires. De plus, les paramètres définissant les cellules cliniquement efficaces ou celles infiltrant les tumeurs après un transfert adoptif sont mal connus.
Dans cette étude, nous avons comparé l’affinité structurelle et l’avidité fonctionnelle d’une librairie de lymphocytes spécifiques à plusieurs NeoAg, AAT et antigènes viraux isolés du sang et des tumeurs de patients souffrant de mélanome ou de cancer du côlon, poumon ou ovaire. Pour ce faire, nous avons utilisé des complexes de peptide-MHC réversibles.
Nos analyses montrent que les cellules ciblant les NeoAg ne se distinguent pas de celles ciblant les AAT par leur avidité fonctionnelle mais par leur affinité structurelle. Les cellules hautement fonctionnelles s’accumulent dans les tumeurs alors que les cellules peu fonctionnelles s’accumulent dans le sang, en lien avec le niveau d’expression de molécules de tropisme tumorale. Finalement, nous avons aussi démontré qu’il y a une fourchette optimale de fonctionnalité cellulaire permettant l’infiltration des tumeurs après transfert adoptif ainsi que les contrôle des tumeurs in vivo.
Dans l’ensemble, nos études démontrent que des cellules de haute affinité structurelle ciblant des NeoAg s’accumulent dans les tumeurs de patients naïfs à l’immunothérapie.
Ces observations indiquent que des filtres fonctionnels ou des méthodologies permettant un enrichissement en cellules fonctionnelles doivent être considérés dans la panoplie des paramètres pour améliorer les produits cellulaires pour les transferts adoptifs thérapeutiques.
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The clinical relevance of T cells in the control of a diverse set of human cancers is now beyond doubt. However, the nature of the antigens as well as the functional profile of T cells that allow the immune system to efficiently distinguish tumor cells from benign cells has long remained obscure. Growing evidences suggest that such tumor epitopes can derive from antigens known as neoantigens (NeoAg), which have novel protein sequences resulting from tumor-specific somatic mutations and which are consequently absent from the normal human genome and proteome. Targeting such neoantigens is promising and theoretically enables immune cells to distinguish cancer cells from normal cells, leading to cancer rejection. Indeed, several studies confirmed that neoantigens recognition is a major factor in the success of clinical immunotherapies.
Of note, in addition to their tumor-specificity (limiting the risk of autoimmunity), neoantigens also represent very attractive and highly promising targets for immunotherapies since these antigens are non-self and thus are not subjected to negative thymic selection. Consequently, it is generally accepted that the repertoire of T-cell recognizing neoantigens is unbiased and thus composed of high-affinity T cells, comparable to virus-specific T cells and different from T cells directed against shared tumor-associated antigens (TAA) where high- affinity T cells are deleted during thymic selection. However, the functional profile of NeoAg- specific T cells was never comprehensively investigated and it is unclear what distinguishes NeoAg- from other TAA-specific T cells from a functional but also phenotypic or molecular standpoint. In addition to the functional heterogeneity of tumor-specific T cells, which remains to be addressed, the most relevant functional parameter associated with tumor infiltration and clinical efficacy is lacking.
Here, using proprietary pMHC class I reversible multimers (NTAmers), allowing measurement of monomeric pMHC-TCR dissociation kinetics (off-rates) on viable CD8 T cells, we comprehensively profiled the structural affinity (off-rates) and the functional avidity (antigen sensitivity) of peripheral (PBLs) and tumor-infiltrating (TILs) CD8 T cells targeting viral epitopes, TAA, and NeoAgs isolated from immunotherapy-naïve patients with melanoma or ovarian, colorectal or lung cancers. The relative accumulation of T-cell clones in tumors or in blood was associated to functional parameters but also to the expression of tumor homing markers. Finally, the ability of functionally-distinct T-cells to infiltrate and control tumors was evaluated in vivo.
Overall, our observations indicated that NeoAg-specific CD8 T cells are superior to TAA- specific T cells with regard to their structural but not functional avidity. High-affinity tumor- specific T cells accumulate in tumors, consistently with their ability to express and upregulate markers of tumor tropism and an optimal range of affinity is required to allow adoptively- transferred T cells to infiltrate and control tumors in vivo. Taken together, our data indicate that high structural affinity NeoAg-specific CD8 T cells preferentially accumulate in human tumors.
Our data indicate that structural/functional filters or methodologies to enrich in highly- functional T-cells should be considered in the armamentarium of parameters to improve cellular products for ACT therapies.