Le rôle des récepteurs co-activateurs CD226 et CD137 dan l’épuisement lymphocytaire

Role of co-activating receptors CD226 and CD137 in T cell exhaustion

• Auteur / Autrice : Andréa Pichler
• Direction : Ludovic Martinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 24/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lymphocytes T cytotoxiques

Cellules suppressives

Immunothérapie anticancéreuse

Mots clés libres

Immunothérapie

CD226

CD137

Lymphocyte cytotoxique

Cytotoxic T cells

Immunotherapy

T cell exhaustion

Résumé

Bien que le blocage des récepteurs inhibiteurs basés sur les anti-PD-1 et les anti-CTLA-4 ait représenté un tournant dans les soins du cancer, les réponses cliniques ne sont observées que chez une fraction de patients cancéreux. Il est donc nécessaire de trouver des stratégies alternatives pour inverser l'épuisement du système immunitaire et augmenter l'efficacité du de l’immunothérapie. Alors que la plupart des stratégies expérimentales se concentrent en fait sur l'identification de récepteurs inhibiteurs supplémentaires limitant la réactivité anti-tumorale des lymphocytes T CD8+ cytotoxiques, l'importance de l'activation des récepteurs en ce qui concerne les fonctions anti-tumorales des cellules T CD8+ et l'efficacité du blocage des récepteurs inhibiteurs reste à être mieux compris. Par conséquent, au cours de ma thèse, mes travaux se sont concentrés sur deux récepteurs activateurs, CD226 (DNAM-1) et CD137 (TNFRSF9, 4-1BB) et leur rôle dans le dysfonctionnement des cellules T et l'immunothérapie du cancer. Mon premier projet de recherche a révélé que la perte du récepteur co-activateur CD226 (DNAM-1) est un mécanisme critique qui modifie la réactivité des cellules T CD8+ à la stimulation de la TCR. En combinant l'analyse d'échantillons de patients atteint de cancer et de modèles de tumeur précliniques de souris, j'ai contribué à montrer que les cellules T CD8+ CD226-négatives dysfonctionnelles s'accumulent progressivement dans le microenvironnement de la tumeur par un mécanisme impliquant le facteur de transcription Eomesodermin (EOMES). Plus important encore, j'ai découvert que l'absence de CD226 affectait la réponse des lymphocytes infiltrant la tumeur à l'immunothérapie. Ainsi, mes résultats ont montré que la perte de CD226 présente un mécanisme d'échappement immunitaire critique restreignant la fonction des lymphocytes T CD8+ et pouvant affecter l'efficacité thérapeutique de l'immunothérapie antitumorale. Mon deuxième projet de recherche était consacré au récepteur co-activateur CD137. Bien qu'il ait été démontré que l'engagement de cette molécule co-stimulatrice favorise la régression des tumeurs dans une variété de modèles de souris, l'efficacité des anticorps anti-CD137 était souvent limitée chez les patients atteints de cancer et il était clairement nécessaire de mieux comprendre le programme cellulaire induit par la stimulation des récepteurs CD137. Mes travaux ont révélé une découverte plutôt inattendue : la signalisation par le récepteur CD137 induit un signal hautement sélectif et indépendant de l'antigène, qui entraîne l'expansion des cellules T, ressemblant beaucoup à une infection chronique et à une cellule T épuisée par le cancer (Tex). J'ai découvert que l'engagement du CD137 dans les cellules T initie un programme d'épuisement indépendant de la TCR/calcineurine qui entraîne l'expansion des cellules T épuisées en phase terminale, caractérisé par la co-expression de multiples points de contrôle immunitaire et des fonctions effectrices réduites, ce qui limite finalement l'efficacité anti-tumorale des agonistes anti-CD137. Dans l'ensemble, mes résultats ont révélé un rôle insoupçonné des récepteurs co-activateurs CD226 et CD137 dans les fonctions des cellules T CD8+. D'une part, j'ai montré que la perte de CD226 est un mécanisme d'échappement immunitaire critique et nouveau qui limite la réactivité des cellules T CD8+ et affecte l'efficacité de l'immunothérapie contre le cancer. D'autre part, j'ai observé que la stimulation du CD137 entraîne un programme cellulaire d'épuisement des cellules T. Des recherches plus approfondies sont nécessaires pour disséquer au niveau moléculaire les mécanismes moléculaires à l'origine de l'épuisement des cellules T provoqué par le CD137. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour inverser l'épuisement immunitaire chez les patients atteints de cancer mais aussi dans d'autres pathologies telles que les infections chroniques.

Although anti-PD-1 and anti-CTLA-4 based immune checkpoint blockade (ICB) has represented a turning point in cancer care, clinical responses are observed only in a fraction of cancer patients. Therefore, finding alternative strategies to reverse immune exhaustion and increase ICB efficacy is actively required. While most of the experimental strategies actually focus on the identification of additional inhibitory receptors restraining CD8+ cytotoxic T lymphocytes anti-tumor reactivity, the importance of activating receptors with regards to anti-tumor CD8+ T cell functions and ICB efficacy remains to be better understood. Therefore, during my thesis, my work focused on two activating receptors, CD226 (DNAM-1) and CD137 (TNFRSF9, 4-1BB) and their role in T cell dysfunction and cancer immunotherapy. My first research project revealed that loss of the activating receptor CD226 (DNAM-1) is a critical mechanism altering CD8+ T cell responsiveness to TCR stimulation. By combining analysis of cancer patients’ samples and preclinical mouse models, I contributed to show that dysfunctional CD226-negative CD8+ T cells progressively accumulate in the tumor microenvironment through a mechanism involving the T-box transcription factor Eomesodermin (EOMES). More importantly, I found that the absence of CD226 affected tumor infiltrating lymphocytes response to immunotherapy. Altogether, my results identified CD226 loss as a critical immune escape mechanism restraining CD8+ T cell function and potentially affecting the therapeutic efficacy of cancer immunotherapy. My second research project was dedicated to the tumor necrosis factor receptor superfamily member CD137. Although, the engagement of this co-stimulatory molecule was shown to promote tumor regression in a variety of mouse models, anti-CD137 mAb efficacy was often limited in cancer patients and there was a clear need to gain further insights into the cellular program driven by CD137 receptor stimulation. My work revealed a rather unexpected finding that signaling through CD137 receptor alone induces a highly selective, antigen independent signal driving the expansion of T cells closely resembling to chronic infection and cancer exhausted T cell (Tex). I found that T cell-intrinsic CD137 engagement initiated an TCR/calcineurin independent exhaustion program driving the expansion of terminally exhausted T cell characterized by the co-expression of multiple immune checkpoints and reduced effector functions ultimately limiting the anti-tumor efficacy of anti-CD137 agonists. Altogether my results uncovered an unsuspected role for activation receptors CD226 and CD137 in CD8+ T cell functions. On the one hand, I showed that CD226 loss is a critical and novel immune escape mechanism restraining CD8+ T cell responsiveness and affecting the efficacy of cancer immunotherapy. On the other hand, I observed that CD137 stimulation drives a T cell exhaustion cellular program. Further investigations are required to dissect at the molecular level the molecular mechanisms driving CD137 induced T cell exhaustion. This may open new opportunities to reverse immune exhaustion in cancer patient but also in other pathologies such as chronic infection.