La thérapie cellulaire adoptive (ACT) utilisant des lymphocytes T infiltrant la tumeur (TIL) a démontré des résultats prometteurs chez les patients atteints de cancer et une supériorité par rapport aux soins standards en cas de mélanome avancé. Bien que cette thérapie soit potentiellement curative, l'inconsistance des réponses cliniques souligne la nécessité de comprendre les mécanismes de succès thérapeutique afin d'améliorer les nouvelles générations de thérapie. La rareté de lymphocytes T dans les tumeurs à faible charge mutationnelle, la différenciation terminale ("épuisement") des TIL dans les produits cellulaires ou le manque de persistance des cellules réinjectées ont tous été décrits comme des obstacles au bénéfice thérapeutique. Il a également été démontré que l'efficacité de la thérapie est influencée par l'avidité (force de liaison) pour l'antigène tumoral, ainsi que la fréquence des clones spécifiques de néoantigènes dans les produits d'infusion. Enfin, le microenvironnement tumoral (TME) et les interactions cellulaires sont essentiels pour stimuler les réponses antitumorales.
Dans cette étude, nous avons interrogé les populations de cellules du TME, dont les TIL, en utilisant du séquençage ARN et de récepteur à cellules T (TCR) de cellules uniques ainsi que de la protéomique spatiale d'échantillons longitudinaux de 13 patients atteints de mélanome métastatique traités par ACT dans une étude clinique de phase 1 (NCT03475134). Les profils transcriptomiques des clonotypes spécifiques de la tumeur ainsi que les interactions cellulaires dans le TME ont été analysés avant et après thérapie. L'état des TIL après expansion in vitro a également été comparé aux profils intratumoraux classiques. L'impact de l'avidité des TCR sur la localisation des cellules Tet le mécanisme impliqué décrits chez des patients cancéreux et des modèles de souris ont été appliqués à certains patients de l'étude.
Les patients répondeurs au traitement avaient des tumeurs enrichies en lymphocytes T cos+ et en cellules myéloïdes présentant respectivement des caractéristiques de cytotoxicité, d'épuisement, de prolifération et de costimulation ainsi que de réponse interféron de type 1. La nature interconnectée de ces cellules a contribué à l'infiltration préférentielle de cellules réactives à la tumeur, présumées d'une avidité élevée. Ces cellules ont démontré une capacité supérieure à proliférer générant des produits plus riches et à activité antitumorale élevée. En revanche, l'absence de bénéfice clinique est associée à des tumeurs dépourvues d'interactions cellulaires et de clones spécifiques, entraînant des produits cellulaires plus petits principalement composés de clones dérivés du sang et indétectables dans la tumeur. La croissance in vitro induite par !'interleukine (IL)-2 a renversé l'état d'épuisement caractérisant les TILs réactifs à la tumeur, et les produits des patients répondant au traitement ont exprimé des marqueurs de résidence tumorale. Les clones cos+ antitumoraux des patients répondeurs se sont réinfiltrés avec succès dans les tumeurs après injection et ont réacquis un phénotype caractéristique de réponse antitumorale. Le compartiment myéloïde y a également été reprogrammé, démontrant des attributs propres à une réponse immunitaire active entraînant une régression tumorale.
Ces données suggèrent que les clonotypes réactifs aux tumeurs renforcées par les signaux du TME améliorent l'efficacité clinique de la thérapie cellulaire adoptive. Cela offre des informations utiles pour améliorer la sélection des patients et optimiser la méthodologie d'expansion des TIL pour la thérapie cellulaire personnalisée de prochaine génération. Le profil des TIL spécifiques de la tumeur alimente actuellement un prédicteur de réactivité tumorale développé en interne qui, associé à notre prédicteur d'avidité des TCR, permettrait de sélectionner les clonotypes les plus pertinents pour générer des produits hautement efficaces de lymphocytes T à TCR génétiquement modifiés.
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Adoptive cell therapy (ACT) using tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) as demonstrated promising results in cancer patients and superiority over standard of care in advanced melanoma. Although TIL­ ACT is potentially curative in patients who achieve a complete response, the inconsistency of clinical responses stresses the need to discern the mechanisms driving therapeutic success to enhance next­ generation TIL therapies. The paucity of tumor-specific T cells in tumors associated to low neoantigen load and tumor mutational burden, the terminal differentiation of TILs in cell prbducts or the lack of cell persistence after cell transfer have all been implicated as current barriers to successful therapeutic response. lt has also been demonstrated that the effectiveness of cancer immunotherapy is influenced by the strength of tumor antigen recognition. Moreover, the frequency of neoantigen-specific clones in TIL infusion products has also been correlated with TIL-ACT efficacy. Finally, the tumor microenvironment (TME) and the interactions of Tlls with other cell types are keys to drive antitumoral responses.
Here we interrogated TME cellular populations, in particular TILs, using single-cell (se) RNA- and TCR-sequencing (seq) as well as spatial proteomic analyses in longitudinal samples from 13 metastatic melanoma patients treated with TIL-ACT in a phase I clinical study (NCT03475134). The transcriptomic profiles of tumor-specific or bystander clonotypes as well as the intricate cellular interactions taking place within the TME were analysed in pre- and post-ACT tumor samples. The states of TILs after in vitro expansion were also compared to canonical intratumoral profiles. The impact of TCR avidity on T cell localisation and the driving mechanism observed at steady state in cancer patients and mouse models were also applied in a subset of patients from the trial.
Patients with clinical responses had tumors enriched with cos+ TILs and myeloid cells with features of cytotoxicity, exhaustion, proliferation and costimulation and type-I interferon (IFN) signaling, respectively. The highly interconnected nature of these cells resulting in steady-state complex cellular networks contributed to the superior infiltration of tumor-reactive cells, presumably of high avidity, which preferentially expandèd in vitro to generate large products with high tumoricidal activity. Conversely, lack of clinical benefit was associated with tumor devoid of cellular interactions and tumor-reactive clonotypes, resulting in smaller cell products mostly composed of blood-derived clonotypes undetectable in baseline tumors. lnterleukin (IL)-2 driven in vitro growth downregulated the exhaustion state characterizing in situ tumor-reactive TILs and responders' products upregulated tumor-residency markers. Tumor-specific cos+ clones from patients benefiting from the therapy successfully re-infiltrated tumors post-ACT and re-acquired an exhausted phenotype. This was connected to a reprogrammed myeloid compartment and cellular interactions characteristics of an active immune response resulting in tumor regression.
Collectively, these data indicate that tumor-reactive clonotypes reinforced by signais from the TME drive clinical response to TIL therapy. This provides useful insight to improve patients' selection and optimize Tlls' expansion methodology for next-generation personalized cellular therapy. The profile of tumor-specific TILs is actually feeding an in-house predictor of tumor-reactivity that, together with our predictor of TCR avidity, would allow ta select the most relevant clonotypes for patent TCR-engineered T cell products.