Modulation de l'activation des lymphocytes T et des réponses anti-tumorales par le fer

Modulation of T-cell activation and anti-tumor responses by iron

• Auteur / Autrice : Sarah Porte
• Direction : Bruno Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 30/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cochin (Paris ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Vaulont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Vaulont, Valérie Dardalhon, Julien C. Marie, Marie-Caroline Dieu-Nosjean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Dardalhon, Julien C. Marie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Immunothérapie

Effets du fer

Antioncogènes

Lymphocytes T

Mots clés libres

Fer

Cancer

Immunothérapie

Th1

IFN-g

Ferroptose

Iron

Cancer

Immunotherapy

Th1

IFN-G

Ferroptosis

Résumé

La capacité du système immunitaire à répondre aux antigènes tumoraux a naturellement conduit au développement d'essais thérapeutique chez l'Homme. Dans les années 1990, les premiers essais d'immunothérapie, comme l'utilisation de l'IL-2 ou de l'IFN-alpha n'ont pas été particulièrement encourageant en raison de résultats mitigés et de toxicité collatérale. Cependant, nous savons grâce à ces premiers essais thérapeutiques que l'environnement tolérogène induit par les tumeurs est dominant, empêchant ainsi le système immunitaire de les éliminer. L'un des nombreux mécanismes mis en évidence permettant l'échappement tumoral est l'induction d'une incapacité des cellules T effectrices à répondre à un antigène tumoral, un mécanisme appelé ''exhaustion''. Ce mécanisme est depuis devenu la cible d'essais thérapeutiques. Il existe en effet des points de contrôle du système immunitaire, appelés ''immune checkpoints'', correspondant, entre autres, à l'expression par les cellules T de molécules inhibitrices qui bloquent leurs fonctions effectrices. L'inhibition de ces points de contrôle permet la restauration des fonctions des cellules T effectrices. Révolutionnant le traitement de nombreux cancers comme le mélanome, ces nouvelles immunothérapies (anti-CTLA-4 et anti-PD-1 notamment) augmentent la survie des patients. Malheureusement, seuls 20 à 30% des patients répondent avec succès à ces traitements en développant une réponse immunitaire anti-tumorale efficace. A l'aide de plusieurs approches, nous avons pu mettre en évidence que le fer augmente significativement les réponses des cellules T in vitro et in vivo. In vitro, nous avons observé qu'une supplémentation en fer conduisait notamment à l'augmentation de l'activation et de la prolifération des cellules T CD4+ et CD8+ naïves. In vivo, cet effet ''adjuvant'' se traduit par un fort ralentissement de la croissance de tumeurs transplantées chez la souris. Dans ce contexte, le fer favorise la différenciation / expansion des cellules T effectrices de type I, caractérisées par l'expression du facteur de transcription T-bet ainsi que par leur forte capacité de production d'IFN-gamma. De plus, nous avons observé que la croissance des lignées de cellules tumorales déficientes soit pour la production de l'enzyme ACSL4, soit pour l'expression des récepteurs à IFN-gamma, qui sont des facteurs clés de l'induction de la ferroptose, était moins affectée par la supplémentation en fer après transplantation chez la souris que la lignée contrôle. Ainsi, nos résultats démontrent que la réponse anti-tumorale des cellules T induite par le fer provoquerait la mort des cellules cancéreuses par induction de la ferroptose. En parallèle, nous avons analysé l'effet du fer en conjonction avec une immunothérapie anti-PD1. Nous avons ainsi testé une lignée tumorale connue pour être ''répondeuse'' à l'immunothérapie anti-PD1 et observé qu'une supplémentation en fer augmente considérablement l'efficacité de l'immunothérapie. Nous avons également obtenu des résultats encourageants en utilisant une ligné tumorale dite ''résistante'' à l'immunothérapie anti-PD1 où dans ce cas une supplémentation en fer permet aux souris transplantées de répondre au traitement anti-PD1 et de contrôler ainsi la croissance de ces tumeurs. Enfin, nous avons pu mettre en évidence au sein d'une cohorte de 35 patients atteint de cancer que ceux présentant des taux normaux en fer au début d'un traitement anti-PD1 présentaient une réponse cytokinique pro-Th1 plus forte, 3 semaines après la première injection, que des patients carencés en fer. L'ensemble de ces travaux suggère donc que l'efficacité de l'immunothérapie pourrait être améliorée en augmentant et en modulant la réponse des cellules T avec l'un des éléments chimiques les plus classiques, le fer.

The ability of the immune system to respond to tumor antigens has naturally led to the development of therapeutic trials in humans. In the 1990s, the first immunotherapy trials, such as the use of IL-2 or IFN-alpha were not particularly encouraging due to mixed results and collateral toxicity. However, we know from these early therapeutic trials that the tumor-induced tolerogenic environment is dominant, preventing the immune system from eliminating it. One of the many mechanisms identified for tumor escape is the induction of an inability of effector T cells to respond to a tumor antigen, a mechanism called exhaustion. This mechanism has since become the target of therapeutic trials. There are indeed immune checkpoints, corresponding, among other things, to the expression by T cells of inhibitory molecules that block their effector functions. The inhibition of these checkpoints allows the restoration of the functions of the effector T cells. Revolutionizing the treatment of many cancers such as melanoma, these new immunotherapies (anti-CTLA-4 and anti-PD-1 in particular) increase patient survival. Unfortunately, only 20 to 30% of patients successfully respond to these treatments by developing an effective anti-tumor immune response. Using several approaches, we were able to demonstrate that iron significantly increases T cell responses in vitro and in vivo. In vitro, we observed that iron supplementation led to an increase in the activation and proliferation of naive CD4+ and CD8+ T cells. In vivo, this ''adjuvant'' effect translates into a strong slowing of the growth of transplanted tumors in mice. In this context, iron promotes the differentiation/expansion of type I effector T cells, characterized by the expression of the transcription factor T-bet as well as their high capacity of IFN-gamma production. Furthermore, we observed that the growth of tumor cell lines deficient in either ACSL4 enzyme production or IFN-gamma receptor expression, which are key factors in ferroptosis induction, was less affected by iron supplementation after transplantation in mice than the control line. Thus, our results demonstrate that the iron-induced anti-tumor response of T cells would cause cancer cell death by induction of ferroptosis. In parallel, we analyzed the effect of iron in conjunction with anti-PD1 immunotherapy. We tested a tumor line known to be ''responsive'' to anti-PD-1 immunotherapy and observed that iron supplementation significantly increases the efficacy of the immunotherapy. We also obtained encouraging results using a tumor line known to be ''resistant'' to anti-PD-1 immunotherapy where in this case iron supplementation allows the transplanted mice to respond to anti-PD1 treatment and thus control the growth of these tumors. Finally, in a cohort of 35 cancer patients, we were able to demonstrate that those with normal iron levels at the start of anti-PD1 treatment had a stronger pro-Th1 cytokine response 3 weeks after the first injection than iron-deficient patients. Together, these findings suggest that the efficacy of immunotherapy could be improved by enhancing and modulating the T-cell response with one of the most classical chemical elements, iron.