Optimisation des immunothérapies : manipulation de sous populations immunitaires et exploitation du métabolisme

Enhancing adoptive immunotherapy : redirecting immune subsets and metabolic pathways

• Auteur / Autrice : Carmen Yong
• Direction : Naomi Taylor, Phillip K. Darcy, Michael H. Kershaw
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec University of Melbourne. The Sir Peter MacCallum Department of Oncology
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Anna Mondino
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Naomi Taylor, Phillip K. Darcy, Michael H. Kershaw, Anna Mondino, Hinrich Abken, Valérie Dardalhon, Christel Devaud, Anne-Françoise Tilkin-Mariamé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hinrich Abken

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme

Différenciation cellulaire

Lymphocytes T

Immunothérapie

Mots clés libres

Immunothérapie

Cellules T

Differenciation

Anti-Tumoral

Récepteur chimérique

Metabolisme

Immunotherapy

T cells

Differentiation

Anti-Tumor

Chimeric antigen receptor

Metabolism

Résumé

Le transfert adoptif de cellules T exprimant un récepteur chimérique reconnaissant un antigène (CAR), est un traitement qui génère des réponses impressionnantes dans les cancers hématologiques mais est beaucoup moins efficace pour le traitement de tumeurs solides. Les tumeurs solides modulent leur microenvironnement induisant des formes multiples d’immunosuppression qui inhibent l’efficacité des fonctions effectrices des cellules T ayant infiltrées la tumeur. Au cours de ma thèse, j’ai évalué le potentiel de deux stratégies pour améliorer les réponses anti-tumorales des cellules T CAR. La première se focalise sur l’étude du rôle potentiel des cellules immunes non T, exprimant un CAR sur la stimulation des fonctions et de la persistance de cellules T CAR+ dans le microenvironnement tumoral. Afin d’étudier la fonction des cellules CAR non T, nous avons généré un modèle de souris transgénique (vav-CAR) dans lequel les cellules immunes expriment un CAR reconnaissant l’antigène tumoral Her2 (ErbB2). Comme attendu, les cellules T CAR+ possèdent des fonctions anti-tumorales, mais nous avons aussi mis en évidence que les macrophages et les cellules NK exprimant le CAR montraient une réponse cytokinique, cytotoxique et phagocytiques spécifiques de l’antigène. De plus, en utilisant le modèle vav-CAR, nous avons démontré le potentiel des cellules immunes CAR+ dans le rejet des tumeurs et cela indépendamment des cellules T CD8+. Les cellules T CD4+ sont essentielles puisque leur élimination réduit considérablement les réponses anti-tumorales dans notre modèle vav-CAR. Il a été démontré que certaines sous-populations de cellules T auxiliaires participent aux réponses anti-tumorales avec les cellules Th1 et Th17 démontrant une efficacité plus robuste que les autres sous-populations. Notre deuxième stratégie s’est focalisée sur l’étude de l’impact du métabolisme au cours de la polarisation des cellules T CD4+ et plus particulièrement lors de la différenciation des cellules T CAR+ en cellules Th1. En effet, l’activation et différenciation des cellules T sont fortement associées à une augmentation des besoins métaboliques. Dans le microenvironnement tumoral, en raison de la forte demande en ressources de la tumeur, la déprivation en nutriments ainsi générée peut limiter l’accès aux nutriments d’autres types cellulaires et ainsi altérer le devenir et les fonctions des cellules immunes greffés infiltrant la tumeur. En conséquence, modifier les cellules immunes CAR+ afin qu’elles puissent résister à la compétition métabolique du microenvironnement tumoral pourrait leur permettre de conserver leurs fonctions effectrices. En étudiant l’impact de la déprivation en nutriments sur la différenciation des cellules T, nous avons trouvé que des concentrations limitantes en glutamine, l’acide aminé le plus abondant du plasma, inhibaient le potentiel des cellules T à se différencier vers la voie Th1 associée à la production d’IFNγ. Au contraire, cette condition favorisait la conversion de cellules T CD4 naïves en cellules régulatrices Foxp3+ ayant des fonctions suppressives (Tregs). De plus, nous avons montré que la présence d’un seul métabolite dérivé de la glutamine, l’α-ketoglutarate (αKG), suffisait à augmenter les fonctions effectrices anti-tumorales de plusieurs sous-types de cellules T auxiliaires CAR+, augmentant la production d’IFNγ et diminuant l’expression de FOXP3. Ainsi, durant ma thèse, j’ai développé un modèle murin vav-CAR, générant un outil permettant d’étudier et manipuler les fonctions de multiples populations de cellules immunitaires exprimant un CAR. Ce modèle permettra de promouvoir l’utilisation de cellules immunes optimisées exprimant un CAR dans le cadre d’immunothérapies dirigées contre des tumeurs solides. De plus, en utilisant ce modèle, nous avons identifié un métabolite de la glutamine, qui orchestre les réponses immunitaires au moyen d’une reprogrammation métabolique des cellules T CD4.

The adoptive transfer of T cells expressing a chimeric antigen receptor (CAR) as a treatment for cancer has achieved impressive responses in haematological malignancies, but has been less successful in the treatment of solid tumors. The tumor microenvironment of solid tumors presents multiple forms of immunosuppression, inhibiting the efficient effector function of infiltrating anti-tumor T cells. During my PhD, we assessed the potential of two strategies to enhance the anti-tumor function of CAR T cells. The first focuses on the potential of other CAR-expressing immune subsets to stimulate CAR T cell function and persistence in the tumor microenvironment. To elucidate the function of CAR-expressing non-T lymphocytes, we generated a transgenic mouse model (vav-CAR) in which immune cells express a CAR against the Her2 (ErbB2) tumor antigen. As expected, CAR T cells harboured anti-tumor function but we also found that CAR-modified macrophages and natural killer cells (NKs) exhibited significant antigen specific cytokine secretion, cytotoxicity and phagocytosis. Moreover, using the vav-CAR model, we demonstrated the potential of CAR immune cells to mediate tumor rejection independently of CD8+ T cells. CD4+ T cells were critical for this response as their deletion severely abrogated the anti-tumor responses in our vav-CAR model. Distinct T helper subsets have been shown to participate to anti-tumor responses, with Th1 and Th17 cells demonstrating a more robust efficacy as compared to other T helper subsets. Our second strategy was focused on the impact of metabolism in the polarisation of CD4+ T cells, in particular the differentiation of CAR T cells to Th1 lineage. T cell activation and polarisation is highly associated with increased metabolic needs. Given that nutrient deprivation in the tumor microenvironment, due to a high demand of the tumor for resources, can limit the nutrients available for other cell types, the fate and function of adoptively transferred immune cells may be altered upon entering the tumor. Therefore, modifying CAR immune cells to resist metabolic suppression in the tumor microenvironment may help retain their effector functions. Upon assessing the effects of nutrient deprivation on T cell differentiation, we found that limiting concentrations of glutamine, the most abundant amino acid in the plasma, inhibited the potential of T cells to undergo Th1 differentiation with associated IFNγ secretion. Rather, this condition resulted in the conversion of naïve CD4+ T cells into suppressive Foxp3+ regulatory T cells (Tregs). Furthermore, we determined that a single glutamine-derived metabolite, α-ketoglutarate (αKG), enhanced the anti-tumor effector functions of multiple CAR T helper subsets, increasing the production of IFNγ and reducing FOXP3 expression.Thus, during my PhD, I generated a vav-CAR model, providing a platform in which the function of multiple CAR-bearing immune subsets can be studied and manipulated. This model will promote the utilisation of optimized CAR-bearing immune cells in adoptive immunotherapy for solid tumors. Furthermore, using the CAR model, we have identified a glutamine metabolite that orchestrates immune responses through the metabolic reprogramming of CD4 T cells.