Immunotherapy with immune-checkpoint blockade has become a standard of care for the treatment of cancer. Nevertheless, resistance to therapy is frequent and is partially due to the absence of T cells in the tumor microenvironment. Radiotherapy has demonstrated to have immunomodulatory effects, while the effects of low-dose irradiation are less well understood. The first part of this thesis describes a published manuscript with preclinical data of the immunomodulatory effect of low-dose irradiation, where its combination with anti-CTLA-4, anti-PD-1, CD40 agonist and low-dose cyclophosphamide improved tumor control in an immune-cold ovarian cancer mouse model and induced influx of CD4+, CD8+ T cells, and DCs. These preclinical results were translated to a phase 1 clinical trial, and the preliminary data are presented in the published manuscript. Patients with immune-cold solid tumors (defined as <5 intraepithelial CD8+ cells per high-power field) were included in the study. Treatment consisted in escalated low-dose irradiation (0.5-1Gy) in combination with anti-PD-1, anti-CTLA-4, Aspirin/celecoxib, and low-dose cyclophosphamide (RACIN, NCT03728179). We observed a decrease in irradiated metastases in 25% of patients, along with an increase in CD4+, Th1, and CD8+ T cells in responsive tumors, as well as T effector-memory markers localized in tumor islets. Non-responding tumors presented anti-inflammatory M2-like macrophage upregulation signals. The second section of the thesis presents the clinical and translational data from the three full cohorts of the clinical trial RACIN. Twenty-five patients were included. Overall response rate was 8.33%, median progression free survival was 2.1 months, and median overall survival was 14 months. Immune-related serious adverse events ≥grade 3 occurred in three patients (33%), being one of them a Backbone Limiting Toxicity. Immunohistochemistry revealed that patients displayed an immune-excluded phenotype. Responder patients showed a significant increase in polyfunctional CD8+ T cells after low-dose irradiation +/- cyclophosphamide. The analysis of the tumor compartment revealed that DNA repair pathway signatures were upregulated in responder patients, suggesting that tumors with DNA repair signatures retain some immunogenicity. We observed that even the mere presence of 1 or 2 intraepithelial PD1+CD8+ per mm2, as well as increased levels of exhausted CD8+ T cells states, was significant for clinical responses to low-dose irradiation and immune-checkpoint blockade. Non-responder patients had increased levels of MAIT CD8 T cell states, NK cell states and CD16 monocytes. Of note, DC2, and immunoreactive CXCL9/10+ and ISG+ macrophages were absent in our RACIN single cell atlas, suggesting that the tumor microenvironment of these patients was highly immunosuppressive, probably limiting the efficacy of immune-checkpoint blockade. Collectively, this study represents the most comprehensive profiling of longitudinal samples of cancer patients treated with low-dose irradiation, providing insights into the effect of low-dose irradiation in the tumor microenvironment of patients with immune-excluded tumors, as well as proposing DNA repair signatures as predictors of response to low- dose irradiation and immune-checkpoint blockade. Additionally, our study provides a thorough characterization of the TME, offering an immune-atlas of immune-excluded tumors.
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L'immunothérapie par inhibiteurs des points de contrôle immunitaires est devenue un traitement standard pour le traitement du cancer. Néanmoins, la résistance à la thérapie est fréquente et est en partie due à l'absence de lymphocytes T dans le microenvironnement tumoral. La radiothérapie a démontré des effets immunomodulateurs, tandis que les effets de l'irradiation à faible dose sont moins bien compris. La première partie de cette thèse décrit un manuscrit publié avec des données précliniques sur l'effet immunomodulateur de l'irradiation à faible dose, où sa combinaison avec anti-CTLA-4, anti-PD- 1, agoniste de CD40 et cyclophosphamide à faible dose a amélioré le contrôle tumoral dans un modèle de souris de cancer de l'ovaire « froid » et a induit l'afflux de lymphocytes T CD4+ et CD8+ et de cellules dendritiques. Ces résultats précliniques ont été traduits en un essai clinique de phase 1, et les données préliminaires sont présentées dans le manuscrit publié. Des patients atteints de tumeurs solides « froids
» ont été traités avec irradiation à faible dose (0,5-1Gy) en combinaison avec anti-PD-1, anti-CTLA-4, Aspirine/célécoxib et cyclophosphamide à faible dose (RACIN, NCT03728179). Un 25% des patients présentait diminution des métastases irradiées, et les tumeurs qui répondait montrait une augmentation des lymphocytes T CD4+, Th1 et CD8+, ainsi que des marqueurs de cellules T mémoire effecteurs localisés dans la tumeur. Les tumeurs non-répondeurs présentaient des signaux d’expression des macrophages anti-inflammatoires de type M2. La deuxième section de la thèse présente les données des trois cohortes complètes de l'essai clinique RACIN. Vingt-cinq patients ont été inclus. Le taux de réponse était de 8,33%, la médiane de survie sans progression de 2,1 mois et la médiane de survie globale de 14 mois. Des événements indésirables graves immuno-médiés ≥ grade 3 survenait chez trois patients (33%), l'un d'entre eux étant une toxicité limitant du traitement « backbone ». L'immunohistochimie a révélé que les patients présentaient des tumeurs avec exclusion immunitaire. Les patients répondeurs ont montré une augmentation significative des lymphocytes T CD8+ polyfonctionnels après irradiation à faible dose +/- cyclophosphamide. L'analyse du compartiment tumoral a révélé que les patients répondeurs avaient une augmentation d’expression des signatures des voies de réparation de l'ADN, suggérant que les tumeurs présentent un certain niveau d'immunogénicité. Nous avons observé que même la présence de 1 ou 2 cellules intraépithéliales PD1+CD8+ par mm2, ainsi que des niveaux accrus de lymphocytes T CD8+ épuisés, étaient significatifs pour les réponses cliniques. Les patients non- répondeurs présentaient des niveaux accrus de lymphocytes T CD8 MAIT, de cellules NK et de monocytes CD16. À noter que les cellules dendritiques de type 2, CXCL9/10+ et ISG+ macrophages immunoréactifs étaient absents, suggérant que le microenvironnement tumoral de ces patients était hautement immunosuppresseur. Cette étude offre un profilage d'échantillons longitudinaux de patients traités par irradiation à faible dose, offrant des perspectives sur l'effet de l'irradiation à faible dose chez des patients atteints de tumeurs froides, ainsi que proposant des signatures de réparation de l'ADN comme prédicteurs de réponse. De plus, notre étude offre une caractérisation approfondie de l'environnement tumorale, offrant un atlas immunitaire des tumeurs avec exclusion immunitaire.