L’immunothérapie tumorale à médiation cellulaire est un traitement qui utilise le système immunitaire des patients afin d’induire une réponse des lymphocytes T CD8+ (T CD8+) contre la tumeur. Cette réponse est produite suite à la reconnaissance des antigènes par les T CD8+. Ces cibles sont appelées antigènes tumoraux (TAA) et définies comme des protéines exprimées par les cellules cancéreuses mais absentes des tissus normaux. Par une approche bio-informatique, notre laboratoire a identifié Dickkopf-1 (DKK1), une protéine inhibitrice de la voie de Wnt, comme un TAA potentiel. Une immunothérapie à médiation cellulaire efficace requiert l’identification de TAA candidats pertinents. Le traitement de patients par immunothérapie pourrait également être améliorées par l’augmentation de la puissance d’action anti-tumorale ainsi que la persistante des T CD8+ spécifiques aux TAA. Ce projet de doctorat se divise en deux parties : 1- La caractérisation de l’expression de DKK1 dans les cancers communs et la détermination de son immunogénicité afin de valider sa candidature comme TAA. 2- La reprogrammation des T CD8+, de patients atteints d’un cancer commun, vers un phénotype moins différentié afin d’augmenter leur potentiel anti-tumoral et leur persistance. Dans le premier objectif, nous avons caractérisé l’expression de DKK1 dans le cancer du sein et dans d’autres cancers communs. Le profil d’expression de DKK1 a été étudié par RT-PCR et par ELISA dans plusieurs lignées cellulaires de cancer et dans les tissus normaux. L’expression de DKK1 a aussi été étudiée dans des échantillons cliniques provenant de cancers du sein, du poumon et du rein. Trente pourcents (30%) des tumeurs provenant d’un cancer du sein exprimaient DKK1. La moitié des tumeurs DKK1(+) était triple négative, donc pas de récepteurs d’œstrogène et de progestérone et était Her-2/neu(-) (ces patientes ont des possibilités de traitements très restreintes). De plus, 50% des échantillons cliniques de tumeurs du poumon et 30% des tumeurs de rein exprimaient DKK1. Les observations effectuées dans le cancer du poumon ont été, par la suite, corroborées par d'autres groupes qui ont montré une corrélation entre l'expression de DKK1 et un mauvais pronostic. Après avoir confirmée l’expression de DKK1 dans les cancers communs, justifiant ainsi sa candidature comme TAA, nous avons évalué l’immunogénicité de DKK1. Pour ce faire, nous avons effectué des stimulations in vitro de cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC) de patient(e)s atteint(e)s d’un cancer du sein ou du poumon avec des peptides dérivés de DKK1 pouvant être présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité (CMH) HLA-A*0201. Des clones de T CD8+ reconnaissant un peptide de DKK1 ont été identifiés et isolés. Par essai multiplex et cytométrie de flux intracellulaire, la polyfonctionnalité d’un ces clones T CD8+ spécifiques à DKK1 a été étudiée et a révélée un profil effecteur, renforçant ainsi la candidature de DKK1 comme TAA. Dans l’ensemble, les résultats obtenus dans cette première partie de thèse suggèrent une possible utilisation de DKK1 en immunothérapie contre les cancers communs, attribuable à son expression dans ces cancers et la possibilité de faire proliférer des T CD8+ effecteurs spécifiques à DKK1 à partir de sang de patients. Dans la seconde partie de cette thèse, je décrirai la manipulation in vitro des T CD8+ de patients atteints d’un cancer commun, afin d’augmenter la force et la durée de leurs fonctions anti-tumorales. Il a été démontré que des lymphocytes moins différentiés sont capables d’une réponse immunologique plus efficace et durable. Nous avons basé ce projet sur l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique de la GSK-3, pour activer de la voie de Wnt chez les T CD8+ et ainsi leur conférer un phénotype moins différentié, partageant des caractéristiques de la cellule naïve et de la cellule mémoire. Des cultures de T CD8+, spécifiques à des antigènes viraux, en présence de l’inhibiteur ont permis d’augmenter la sécrétion d’interféron (IFN)- et leur activité cytotoxique. Ces résultats indiquent un effet de l’activation de la voie de Wnt sur la fonction des T CD8+. Ces observations sont rapportées pour la première fois chez les T CD8+ humains et suggèrent une nouvelle stratégie, applicables à l’immunothérapie du cancer, afin de prolonger la persistance des cellules ainsi que leur activité anti-tumorale. En conclusion, ces travaux de recherche ont mené à la réalisation d’une étape très importante dans la validation de la candidature de DKK1 comme TAA pour les cancers communs, soit la démonstration de son expression dans ces cancers et son absence dans les tissus normaux dérivés d’organes importants. Ces travaux ont également mené à la démonstration de l’immunogénicité de DKK1, par l’identification d’un peptide de DKK1 reconnu par les T CD8+. De plus, l’étude de la polyfonctionnalité des T CD8+ spécifiques à DKK1 a révélée un profil effecteur favorable pour l’obtention d’une réponse anti-tumorale efficace. Ces découvertes pourraient servir à l’élaboration d’une stratégie d’immunothérapie à médiation cellulaire pour les cancers communs. Pour sa part, l’étude phénotypique et fonctionnelle de la modulation de la voie de Wnt dans les T CD8+ a donné lieu à l’observation d’un phénotype encore jamais rapporté chez l’humain, conférant aux T CD8+ un aspect moins différentié avec des caractéristiques propre à un phénotype mémoire. Ces résultats sont pertinents dans l’amélioration de l’immunothérapie du cancer, passant par l’augmentation de la persistance des lymphocytes. En résumé, les résultats présentés dans cette thèse de doctorat fournissent des évidences indéniables quant à la validation de DKK1 comme TAA pour une immunothérapie à médiation cellulaire des cancers communs. Ces résultats fournissent également des preuves quant à la pertinence de la reprogrammation des T CD8+ par l’activation de la voie de la voie de Wnt, afin de générer des lymphocytes médiateurs plus efficaces pour ce type de thérapie. / Cell-mediated cancer immunotherapy is based on the priming of the patient’s CD8+ T lymphocytes (CD8+ T cells) to mediate an immune response directed against the tumour. This anti-tumour response is antigen-specific and directed against tumour associated antigens (TAA), which are defined as proteins expressed principally by cancer cells and absent from non-malignant tissues. By utilizing a bio-informatic approach, we identified the gene DKK1, a Wnt pathway inhibitor, as a potential TAA. This was an important novel finding as the identification of a new TAA is one of the key elements to enhance cell-mediated cancer immunotherapy. Furthermore, patient treatment options may also be improved through the amplification of the force and duration of the anti-tumour immune response mediated by TAA specific T cells. This thesis is divided in two parts: 1- The characterization of DKK1 expression and immunogenicity in common cancers as validation of TAA candidate. 2- The reprogrammation of CD8+ T cells from patient with common cancers to restore a less-differentiated phenotype in an attempt to improve their anti-tumour response. We first characterized DKK1 expression in breast cancer and other common cancers. In order to prove its specificity to malignant tissues, the DKK1 expression profile was initially established by RT-PCR and ELISA assay using cancer cell lines and in RNA panels from normal tissues. DKK1 expression was also described using clinical samples from breast, lung and kidney cancers. We found that 30% of breast cancer clinical samples were positive for DKK1 expression. Interestingly, half of the triple negative breast cancer tumours (negative for the expression of progesterone and estrogen receptors and Her-2/neu) were DKK1 (+). Moreover, 50% of the lung cancer and 30% of the kidney cancer clinical samples were also DKK1 (+). These results have been corroborated by other groups who recently reported similar observations in lung cancer with a correlation with poor prognosis. After confirming that the DKK1 gene expression profile in common cancer qualifies DKK1 as a relevant TAA, we then explored its immunogenicity. To do so, we performed in vitro stimulations of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from lung and breast cancer patients with DKK1-derived synthetic peptides, which were selected for their capacity to be presented by the major histocompatibility complex (MHC) HLA-A*0201. With this method, we identified and isolated CD8+ T cell clones with a specificity unique for one DKK1 peptide. Cytokine secretion profile of anti-DKK1 T cells was established by cytokine mutiplex assay and flow cytometry. This study revealed that DKK1-specitfic CD8+ T cells had an effector profile with polyfunctionality proprieties, thereby reinforcing DKK1 as a TAA candidate. Altogether, the results obtained in this first part of this thesis suggest the possible use of DKK1 in common cancer immunotherapy as it is principally expressed by malignant tissues and can generate the activation of effector CD8+ T cells. In the second part of this thesis, I will describe in vitro manipulations of patients’ CD8+ T cells in the goal of augmenting their longevity and the strength of the anti-tumour response. Previous research revealed that a less-differentiated phenotype correlated with an augmented capacity of persistence and the intensity of the T cell response. For this project, we generated less-differentiated CD8+ T cells by activating the Wnt pathway with a pharmalogical inhibitor of GSK-3. These less-differentiated T cells shared a phenotype of both naive and memory T cells. As for their immune functions, viral antigen specific CD8+ T cells cultured with the inhibtitor showed an elevation in interferon (IFN)-γ production and cytotoxic activity. This represent the first report of such observations in humans CD8+ T cells and suggest a new stategy to prolonge the persistence of T cells in a cancer immunotherapy setting. In conclusion, this work has strongly contributed to the validation of DKK1 as a TAA for common cancers, as it is expressed in malignant tissues and relatively absent in form normal tissues. It demonstrated the immunogenicity of DKK1 with the identification of a DKK1 peptide recognized by CD8+ T cells. Moreover, these DKK1-specific CD8+ T cells appear to be polyfunctional with an effector profil, which is favorable to mount a potent anti-tumour response. These findings could serve in novel strategies to be exploited in cell-mediated immunotherapy against common cancers. Furthermore, the phenotypic and functional study of the Wnt pathway activation resulting in a less-differentiated CD8+ T cells, generated observations that had never been reported in humans. These findings are relevant for cancer immunotherapy because they could help generate less-differentiated cells with augmented persistance and anti-tumorale capacities. Altogether, the results presented in this doctoral thesis provide significant evidence that DKK1 may serve as a TAA in cell-mediated immunotherapy for patients affected by common cancers and that reprogramming of CD8+ T cells through activation of the Wnt pathway could generate more effective mediator for this type of treatment.

Vaccines have saved more lives than any other medical intervention. Recombinant vaccines provide unmatched safety profiles, but at the expense of reduced immunogenicity. Virus-like particles (VLPs) resemble viruses in size, shape and repetitive arrangement but are devoid of pathogenic genetic material and therefore safe. Poor immunogens can be rendered immunogenic by display on VLPs. Successfully decorating VLPs is still a major challenge. Genetic fusion or chemical modification is often time-consuming and can lead to misassembly or misfolding, which obstructs generation of the desired immune response. SpyCatcher is a genetically encodable protein, previously engineered to form a covalent isopeptide bond to its peptide-partner SpyTag. Presented in this thesis are SpyCatcher-VLPs, based on the fusion of SpyCatcher to the bacteriophage VLP AP205. SpyCatcher- VLPs can be conveniently conjugated with SpyTag fused antigens, simply by mixing. I demonstrate the modularity of this approach by covalently linking several complex, cysteine-rich malarial antigens to SpyCatcher-VLPs, such as the transmission-blocking antigen Pfs25 and the blood-stage antigen CIDR. A single administration of Pfs25-SpyTag conjugated to SpyCatcher-VLPs induced potent antibody generation against Pfs25, even in the absence of adjuvant. Anti-Pfs25 antibodies induced by this platform conveyed potent transmission-blocking activity in the mosquito vector. The thesis further demonstrates the feasibility of more complex Catcher-nanoparticle architectures. The previously engineered SnoopCatcher covalently reacts with SnoopTag peptide and is orthogonal to the SpyCatcher / SpyTag pair. IMX313 is an engineered chimera of the multimerization domain of chicken complement inhibitor C4-binding protein. This work describes fusion of SnoopCatcher and SpyCatcher to IMX313, which yields independently addressable Catcher-moieties on a single IMX313 nanoparticle. Display of two antigens on one particle may enable single-particle, multi-disease vaccines as well as multi-stage vaccines to tackle immune evasion of parasites. The platforms presented should accelerate and enhance vaccine development and may create opportunities for imaging and metabolic engineering.

The failure of the immune system to provide efficient protection against tumour cells has been considered as a major issue in immunology. It is now well established that inadequate function of the host immune system is one of the main mechanisms by which tumours escape from immune control contributing to the limited success of cancer immunotherapy. Several cell populations have been described which display immunosuppressive properties and may impede tumor-specific immunity. Among them, GR1+CD11b+ immature myeloid suppressor cells and CD4+CD25+ regulatory T cells seem to play an important role. These cells accumulate in the spleens of tumour bearing mice and patients with cancer and contribute to immunosuppression by inhibiting the function of CD8+ T cells and/or by promoting tumour angiogenesis.<p><p>The aim of our work was to define the mechanisms by which a single dose of cyclophosphamide (CTX), a chemical agent commonly used in chemotherapy treatment, induces the rejection of established P815 mastocytoma. <p><p>Our data show that CTX treatment leads to the selective loss of GR1medCD11b+ splenic myeloid cell producing TGF-â, a cytokine which is known to suppress antitumoral response. Furthermore, injection of CTX causes a decrease in the number of naturally occurring regulatory T cells (CD4+CD25+Foxp3+) in the spleen and the tumor. Finally, CTX treatment induces the differentiation of GR1highCD11b+ splenic myeloid cells into mature GR1highCD11b+CD11c+ (possibly dendritic cells?) which express high levels of CD11c, MHC class II and CD86 molecules. Of note, these cells are mainly detected in tumour necrosis areas. <p><p>Collectively, these results suggest that CTX prevents suppressive mechanisms and induces a population of CD11c+ myeloid cells which may present tumor antigens and activate T lymphocytes, an hypothesis in line with the requirement for CD4+ cells in CTX-induced long term resistance. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’immunothérapie anticancéreuse est basée sur la capacité du système immunitaire à reconnaître les cellules tumorales comme étrangères et à les éliminer. Les stratégies immunothérapeutiques abordées dans ce travail, incluent l’activation du système immunitaire par l’expression de facteurs immunomodulateurs (l’interleukine-2) via l’utilisation d’un vecteur dérivé du parvovirus MVM, ou par présentation des antigènes tumoraux par la machinerie des cellules dendritiques (DC), via la génération d’hybrides entre DC et cellules tumorales (TC).<p>L’intérêt majeur du parvovirus autonome MVM en tant que vecteur pour la thérapie génique du cancer vient de son expression préférentielle dans les cellules transformées (oncotropisme) et de son aptitude à lyser celles-ci (oncolyse). Les vecteurs générés au laboratoire conservent l’unité de transcription NS et expriment l’IL2 humaine sous contrôle du promoteur P38, à la place des protéines de capside. Malgré les améliorations apportées à la production de vecteurs recombinants, la faible concentration des stocks reste un problème. Il a été montré que, de nombreux virus sont mieux produits en conditions de faible tension en oxygène (hypoxie). Nous avons tenté d’améliorer les titres des vecteurs en les produisant sous faible tension d’oxygène mais sans y parvenir (annexe 1). Dans un modèle in vivo utilisant la lignée de mélanome K-1735 dans des souris immunocompétentes, des cellules tumorales infectées in vitro avant leur implantation en sous-cutané ont montré un effet anti-tumoral du vecteur MVM/IL2 (annexe 2). Afin de mettre en évidence l’apport de l’oncolyse parvovirale dans l’activité anti-tumorale, nous avons mis au point des expériences, dans le même modèle de tumeur, visant à comparer l’efficacité du vecteur MVM/IL2 à celle d’autres vecteurs, Ad/IL2 et Rétrovirus/IL2, ne possédant pas d’activité oncolytique. Dans le but de mettre en évidence une éventuelle réponse immune in vivo, nous avons utilisé le modèle de tumeur TC-1 mais ce modèle s’est montré moins sensible à l’effet du vecteur MVM/IL2 et nous n’avons pas pu démontrer d’activation de cellules cytotoxiques spécifiques de la tumeur.<p>Il a été proposé d’utiliser des hybrides entre DC/TC pour la vaccination anti-tumorale pour optimaliser la présentation des antigènes tumoraux. Une lignée cellulaire exprimant la protéine fusogène du virus de la leucémie du Gibbon (GaLV-FMG, Gibbon ape leukemia virus) a été dérivée de la lignée cellulaire CHO (cellules ovariennes de hamster chinois) au laboratoire. Cette lignée CHO-FMG, utilisée comme partenaire intermédiaire, a permis la fusion entre cellules tumorales et dendritiques (annexe 3). Nous avons montré que l’expression transitoire après infection par un vecteur AAV-FMG ou après transfection transitoire ne génère pas un pourcentage significatif d’hybrides. En effet, le niveau d’expression ainsi que le pourcentage de cellules transduites exprimant FMG s’est révélé trop faible. Ceci a mis en valeur l’efficacité de la lignée stable CHO-FMG comme intermédiaire de la fusion. De plus, nous avons intégré dans la lignée fusogène, le gène de l’interleukine-2, qui devrait permettre d’augmenter l’efficacité de l’induction de la réponse immune. <p>\ / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cancer is a worldwide health problem and despite advances in traditional treatments i.e. surgery, chemotherapy and radiotherapy, the cure rate remains disappointing for some cancers. Different novel therapeutic strategies are being developed. In this thesis two nontraditional cancer therapy approaches are studied: gene therapy using viral vectors and antitumour vaccination with dendritic cell - tumour cell (DC/TC) hybrids.<p>We have developed a novel ELISPOT titration method for viral vectors that is based on the actual expression of the transgene in target cells. This method was developed with recombinant parvovirus MVM-IL2, but it should be adaptable for other vectors carrying expression cassettes for secreted transgene products for which antibodies are available. The ELISPOT titration method allows for faster and better quantification of transducing units present in vector stocks as opposed to titration by in situ hybridisation (annexe I). The MVMIL2 vector has shown an anti-tumour effect against melanoma in an immunocompetent mouse model (annexe IV). Previous work concerns photodynamic inactivation of adenoviral vectors for biosafety and an in vivo study in which a synergistic effect of antiangiogenesis gene therapy combined with radiotherapy could be shown (annexes V and VI).<p>DC/TC hybrids have been proposed as cancer vaccines for their simultaneous expression of antigen presentation machinery and tumour associated antigens. Hybrids are classically generated by polyethylene glycol (PEG) or electrofusion. These methods however require special skills and equipment and cause rather high cell lethality. Fusion via the expression of viral fusogenic membrane glycoproteins (FMG), such as the vesicular stomatitis virus-G (VSV-G) (annexe III) or the Gibbon ape Leukemia Virus (GaLV) FMG, have recently been described. We have mainly focussed on the latter. Transduction of cells with GaLV-FMG proved to be a limiting step for an efficient generation of hybrids. On the other hand, constitutive expression of GaLV-FMG leads to lethal syncytia formation in human cells. Therefore we developed a novel fusion strategy for the generation of DC/TC cell hybrids that involves the use of a non-human fusogenic cell line that constitutively expresses the GaLV-FMG. With this method we were able to generate reproducible yields of DC/TC triparental hybrids. The formation of tri-parental hybrids via the fusogenic cell line is an interesting alternative to existing DC/TC fusion methods because of its simplicity and its flexibility in the choice of fusion partners, i.e. autologous or allogeneic DCs and tumour cells.<p>Moreover, the tri-parent hybrid system offers the possibility to further enhance the immune response by the addition of transgenes that code for immuno-modulating factors to the fusogenic cell line (annexe II). / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La reconnaissance de l’implication du système immunitaire dans le cancer a guidé l’industrie vers de développement d’immunothérapies nombreuses et prometteuses. Or, à l’ère de l’immuno-oncologie, on constate un manque criant de modèles précliniques capables de simuler les interactions immunitaires entre un patient et sa tumeur. Pour remédier à cette situation, nous avons développé des modèles de souris humanisées combinant la reconstitution immunitaire de souris immunodéficiente et l’injection de lignées tumorales issues d’un même donneur. L’utilisation de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) a permis notamment le développement de multiples lignées tumorales à partir d’un seul donneur sain, facilitant ainsi l’accès aux cellules immunitaires nécessaires à l’humanisation des souris. La transformation des cellules primaires ou dérivées d’iPSC a été faite par la transduction lentivirale des proto-oncogènes de la télomérase (hTERT), de Ras oncogénique (HRASV12) et de la région précoce du viruse simen 40 (SV40ER) encodant les gros et petits antigènes T (LgT et SmT). Cette approche permis de générer des tumeurs de haut grade, agressives et peu différenciées à l’aide de fibroblastes primaires et de cellules hépatiques, de cellules souches neurales et d’astrocytes dérivés d’iPSC. Dans tous les cas, les tumeurs ainsi générées ont été efficacement reconnues, infiltrées et souvent rejetées par le système immunitaire autologue implanté. Le rejet partiel de la plupart de ces tumeurs ouvre toutefois la porte à l’évaluation préclinique d’immunothérapies diverses reposant sur les réactions immunitaires anti-tumorales de l’hôte. Par exemple, nous avons pu étudier l’impact d’un traitement d’inhibition du point de contrôle immunitaire PD-1 sur la croissance de tumeurs d’origine fibroblastique où une augmentation marquée du taux d’infiltration immunitaire humaine a été observé sans toutefois mener à une réduction significative du fardeau tumoral. Nous avons aussi pu produire, de façon autologue, des lymphocytes T exprimant un récepteur d’antigène chimérique (CAR) contre le ganglioside GD2, un antigène tumoral préalablement identifié et détecté sur les tumeurs de cellules souches neurales générées par notre approche. L’efficacité cytotoxique de ces CAR a ainsi pu être validée in vitro dans un système autologue. Finalement, nous avons utilisé le modèle de tumeurs fibroblastiques dans des contextes immunitaires autologues et allogéniques pour déterminer si le potentiel immunomodulateur des cellules stromales mésenchymateuses (MSC) pouvait affecter la croissance tumorale. Selon nos résultats, les MSC n’auraient aucun effet ni sur le taux d’émergence et de croissance tumoral, ni sur l’infiltrat immunitaire, suggérant que leur utilisation thérapeutique serait sécuritaire en ce qui concerne ce type de tumeurs ayant préalablement un microenvironnement tumoral immunosuppresseur. En somme, les modèles innovateurs décrits dans cette thèse visent à améliorer la qualité prédictive des modèles murins précliniques en immuno-oncologie en récapitulant certaines interactions immunitaires entre un patient et sa tumeur. La grande flexibilité de cette approche permettra d’adapter aisément le modèle aux problématiques d’intérêt, tant fondamentales que précliniques. / Identification of the human’s immune system implication in cancer has guided the biotech industry towards the development of numerous and promising cancer immunotherapies. However, in the era of immuno-oncology, a distinct lack preclinical models can simulate the interactions between a patient’s tumor and immune cells. To tackle this issue, we developed humanized mouse models combining immune reconstitution of immunodeficient mice and injection of tumor cells lines from the same human donor. The use of induced pluripotent stem cells (iPSC) allowed the generation of multiple tumorigenic cell lines from a single donor, facilitating access to autologous immune cells necessary for mouse immune humanization. The transformation of primary or iPSC-derived cell lines was done using lentiviral transduction of proto-oncogenes telomerase (hTERT), oncogenic Ras (HRASV12) and simian virus 40 early region (SV40ER) encoding large and small T antigens (LgT and SmT). This approach allowed to generate high grade, aggressive and undifferentiated tumors from primary fibroblasts and iPSC-derived hepatic cells, neural stem cells and astrocytes. In all cases, such tumors were efficiently recognized, infiltrated and often rejected by the implanted autologous immune system. However, partial rejection of most tumors allows for preclinical evaluation of targeted immunotherapies relying on the hosts’ pre-existing immune response. For instance, we could study the impact of PD-1 checkpoint blockade inhibition on tumor growth in fibroblastic tumors where a significant increase in tumor infiltration was observed, but without an associated decrease in tumor burden. We could also produce autologous chimeric antigen receptor (CAR)-expressing T lymphocytes against GD2 ganglioside, a previously described tumor antigen detected on our neural stem cell-derived tumor cells. Cytotoxic efficiency of these autologous CAR T cells could thus be validated in vitro. Finally, we used our fibroblast-derived tumor models in autologous and allogeneic settings to determine if mesenchymal stem cells’ (MSC) immunomodulatory potential could impact tumor growth. Our results showed that MSC had no effect neither on tumor emergence and growth nor on immune infiltration, suggesting therapeutic use of these cells should be safe regarding such tumors already harboring a strongly immunodeficient microenvironment. Overall, the novel models described in this thesis aim at improving the predictive capacity of mouse pre-clinical models in immuno-oncology by recapitulating some immune interactions between a patient and its tumor. The great flexibility of this approach will allow for easy adaptation to many research problematics both preclinical and fundamental.

Le neuroblastome (NB) est la tumeur extra-crânienne la plus fréquente du jeune enfant. Malgré une thérapie multimodale très agressive, 40% des patients atteints de NB à haut risque rechutent. Le traitement de ces patients consiste à éliminer la tumeur par chirurgie, radiothérapie et chimiothérapie, à reconstituer la moelle osseuse par une greffe de cellules souches autologues et enfin à éliminer la maladie résiduelle (MRD) par une immunothérapie visant l’antigène GD2 exprimé par les neuroblastes. Notre étude préclinique a examiné l’efficacité de deux stratégies de traitements qui visent à potentialiser les thérapies actuelles et réduire leur toxicité. La première consiste à réduire la masse tumorale par la radiothérapie ciblée combinée à des radiosensibilisants. La deuxième approche est basée sur l’activation des cellules natural killer (NK) pour potentialiser l’effet de l’immunothérapie anti-GD2 et éliminer la MRD. L’autophagie est un processus catabolique qui élimine les protéines et organelles endommagées par différents stress incluant les irradiations. Par conséquent, inhiber l’autophagie pourrait sensibiliser les neuroblastes aux irradiations. Or, nous avons montré qu’étant très radiosensibles, les neuroblastes ne sont pas davantage éliminés par les irradiations quand ils sont traités avec un inhibiteur de l’autophagie. De plus, l’absence d’un inhibiteur efficace de l’autophagie à usage thérapeutique ne permet pas actuellement d’adopter cette approche. Notre étude a également permis de révéler une nouvelle approche de stimulation des cellules NK par les cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDC) activées par un ligand du récepteur Toll-like, capable d’éradiquer la MRD et prévenir les rechutes de NB. Nos résultats ont permis, d’une part, d’élucider les mécanismes impliqués dans la lyse des cellules NK activées par les pDC contre les neuroblastes et, d’une autre part, de démontrer que l’axe pDC-NK chez le patient est fonctionnel, augmente l’efficacité de l’anti-GD2 et élimine efficacement les neuroblastes. Ainsi, l’immunothérapie par les cellules NK est une stratégie très prometteuse pour traiter le NB. Cette étude préclinique servira de base à l’élaboration d’un essai clinique pour traiter les enfants atteints de NB au CHU Sainte Justine. / Neuroblastoma (NB) is the most common extracranial solid tumor in childhood. Despite aggressive multimodal therapy, 40% of patients with high-risk NB relapse. The current therapy comprises an induction treatment with chemotherapy and surgery, a consolidation treatment including radiotherapy and high-dose chemotherapy followed by bone marrow rescue with autologous hematopoietic stem cell transplantation and finally anti-GD2 immunotherapy targeting the disialoganglioside (GD2) antigen expressed by neuroblasts to treat minimal residual disease (MRD). Our preclinical study proposes two treatment strategies to potentiate current therapies and reduced toxicities. The first aim to reduce tumor mass by targeted radiotherapy combined with radiosensitizers. The second approach is based on the activation of natural killer (NK) cells to potentiate the effect of anti-GD2 therapy and eliminate MRD. Autophagy is a catabolic process that recycle damaged proteins and organelles, induced under various conditions of cellular stress including irradiation. Therefore, inhibiting autophagy could sensitize neuroblasts to irradiation. However, our study showed that neuroblasts were highly sensitive to irradiation and autophagy inhibitor failed to increase neuroblasts sensitization to irradiation. In addition, the absence of a potent autophagy inhibitor for therapeutic use does not allow this approach to be adopted. Our preclinical study demonstrated a novel approach based on NK cell stimulation with Toll-like activated plasmacytoid dendritic cells (pDC) that enhances the efficacy of anti-GD2 immunotherapy and prevent NB relapse. We elucidated the mechanisms involved in pDC-activated NK cells killing of neuroblasts. We further demonstrated that neuroblasts were efficiently killed by patient’s NK cells after stimulation by activated pDC. This is further increased by the addition of anti-GD2 antibody. Altogether, our study demonstrates that NK cell-based immunotherapy has a real potential to enhance anti-GD2 immunotherapy effect and prevent NB relapse. This preclinical study will serve as a basis for the development of a clinical trial to treat children with NB at CHU Sainte Justine.

Le carcinome séreux de haut grade (CSHG) est le sous-type histologique le plus courant du cancer de l'ovaire et demeure le cancer le plus meurtrier de l'appareil reproducteur féminin. Les récents progrès de l'immunothérapie contre le cancer ont mis en évidence un énorme potentiel thérapeutique pour les patientes confrontées à des besoins non satisfaits de soins de santé pour le traitement des CSHG. Une étape cruciale pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques consiste à identifier les antigènes spécifiques des tumeurs (TSA), c’est-à-dire des antigènes majeurs d'histocompatibilité de classe I présents à la surface des cellules cancéreuses mais absents des cellules normales. Ces TSA peuvent être reconnus par les cellules T et sont des éléments essentiels dans la conception de vaccins destinés à stimuler les réponses immunitaires anticancéreuses. Les travaux menés dans le cadre de mon programme de doctorat ont porté sur l'identification et la caractérisation des TSAs dans les CSHG. Les premières études sur les TSAs ont été dirigées uniquement vers l’identification de TSAs dérivés de mutations dans les régions codantes, menant à l’identification d’antigènes très rares et privés dans les CSHG. Dans notre première étude, nous avons analysé 23 échantillons de cancer de l'ovaire en utilisant une approche protéogénomique nous permettant d'étudier à la fois les régions génomiques codantes et non codantes. Ce faisant, nous avons identifié un total de 103 TSAs, dont 91 qui ne portaient pas de mutations et dérivaient de séquences présumées non-codantes. Nous appelons ces antigènes « TSAs exprimés de manière aberrante (aeTSAs) » puisqu’ils sont exprimés de manière aberrante dans les échantillons de cancer mais absents dans les tissus normaux. Contrairement aux TSAs mutés, qui sont davantage patient- spécifiques, l’ARN codant pour les aeTSAs est exprimé par plusieurs patientes atteints d’un CSHG, celles-ci exprimant individuellement une médiane de 5 aeTSAs. De par leur nombre élevé et du fait que leur expression soit partagée dans une large population de patientes atteints de CSHG, les aeTSAs représentent des cibles intéressantes pour l'immunothérapie du cancer. En raison de leur origine principalement non codante, la nature et la régulation des aeTSAs sont peu connues. Notre seconde étude a donc porté sur la régulation de la biogenèse des aeTSAs. L’analyse de données de séquençage de l'ARN de CSHG en cellule unique a montré une expression enrichie et spécifique des gènes sources des aeTSAs dans les cellules cancéreuses. Grâce à une analyse transcriptomique plus poussée, nous avons identifié de nouveaux transcrits récurrents codant pour les aeTSAs et avons déterminé que ces transcrits sont largement surexprimés dans les CSHG. De plus, nous avons déterminé que les aeTSAs issus d'événements de traduction non canonique sont codés préférentiellement par des cadres de lecture ouverts courts et générés à partir de régions près de l'extrémité C-terminale. Finalement, nos analyses sur l'accessibilité de la chromatine et les modifications des histones supportent l’hypothèse que les transcrits codant pour les aeTSAs ont recourt à des promoteurs alternatifs, ce qui suggère un rôle important de l'épigénome du cancer dans la genèse du paysage antigénique. Nos travaux représentent la première analyse complète des antigènes provenant des régions codantes et non codantes dans les tumeurs ovariennes. Nous avons pu dresser une liste exhaustive de cibles thérapeutiques potentielles et mieux comprendre leur biogenèse. Nos travaux portant sur la découverte et la caractérisation des aeTSAs favoriseront la conception de nouvelles immunothérapies ciblant ces antigènes et ce qui sera bénéfique pour un plus grand nombre de patientes atteintes de CSHG. / High-grade serous carcinoma (HGSC) is the most common histologic subtype of ovarian cancer and the most lethal cancer in the female reproductive system. Recent advances in cancer immunotherapy have highlighted enormous therapeutical potential for patients facing unmet clinical needs in HGSC treatment. A crucial step for developing new therapeutic strategies is identifying targetable tumor-specific antigens (TSAs), namely the major histocompatibility class I antigens presented on the cancer cell surface but absent from normal cells. These TSAs can be recognized by T cells and are essential elements in designing vaccines to stimulate anti-cancer immune responses. The goal of my Ph.D. thesis was to identify and characterize TSAs in HGSC. In early studies of TSAs, most groups focused solely on TSAs derived from mutations in coding regions, which reported very rare and private antigens in HGSCs. In our first study, we used a proteogenomic workflow that enabled us to survey both coding and noncoding sequences to analyse 23 ovarian cancer samples. We uncovered 103 TSAs, 91 of which were not mutated and derived mainly from allegedly noncoding sequences. We call these antigens aberrantly expressed TSAs (aeTSAs), for their lack of expression in normal tissues while being aberrantly expressed in cancer samples. Unlike the mutated TSAs unique to individual tumors, the aeTSAs have shared RNA expression in HGSC tumors, with an estimated median presentation of five per patient. Because of their number and shared expression in a large population, we consider aeTSAs attractive targets for immunotherapy. Due to their primarily noncoding origin, little is known about the nature and regulation of aeTSAs. In our second study, we explored the biogenesis of the aeTSAs. HGSC single-cell RNA sequencing data showed a malignant cell-specific/enriched expression of aeTSA source genes. Further transcriptomic profiling identified novel recurrent transcripts coding for aeTSAs and revealed broad overexpression of aeTSA-coding transcripts in HGSC. Moreover, we showed that aeTSAs derived from noncanonical translation events are coded preferably by short open reading frames and generated from regions close to the C-terminus. Our analysis of chromatin accessibility and histone modifications support a differential promoter activity for aeTSA-coding transcripts, suggesting an important role of cancer epigenome in shaping the antigen landscape. Our work is the first comprehensive analysis of ovarian tumor antigens derived from both coding and noncoding regions. We reported an extensive list of potential therapeutic targets and provided insights into their biogenesis. Our work on discovering and characterizing shared TSAs shall promote the design of new antigen-targeting immunotherapy that benefits more HGSC patients.

<p dir="ltr">Over the last century, cancer immunotherapy has become an attractive field due to the popularity of checkpoint blockades and adoptive cell therapy. Though these new frontier therapeutics are effective for certain populations, they’ve had either adverse effects on others or are non-efficacious when used to treat “cold tumors”. Hence, newer strategies are needed to sensitize cold tumors into immune-responsive “hot tumors”, which synergize with checkpoint blockades. The cyclic GMP-AMP synthase-Stimulator of INterferon Genes (cGAS-STING) pathway has been identified as a pathway that can initiate T cell infiltration and turn cold tumors into hot tumors. Therefore, STING agonists have been identified as potential remedies that could help bend the curve to increase the survival rate of cancer patients if combined with anti-PD1 and anti-CTLA4 therapies.</p><p dir="ltr">2’3’-cGAMP is a master regulator of the innate immune system and is produced by cGAS upon cancer deregulation as well as bacterial and viral infection. Although 2’3’-cGAMP is a nanomolar affinity binder to STING and has vast immunostimulatory potential, it is plagued by several limitations that prevent its use in vivo. Most medicinal chemists have focused on making phosphorothioate derivatives which circumvents 2’3’-cGAMP’s limitations, but synthesizing these analogs presents a synthetic challenge. Also, these derivatives are commonly administered via intratumoral injection, which is not an attractive mode of delivery. This dissertation tries to address some of these challenges and provide a newer platform to develop CDN-based STING agonists.</p><p dir="ltr">We describe a novel class of phosphorothioester-linked cyclic dinucleotides (endo-S-CDNs) as excellent STING agonists. Showing through structural-activity relationship (SAR) which groups are tolerated or detrimental for STING binding and cellular activity. Also, determining that these 5’-phosphorothioester-linked CDNs are resistant to cleavage by clinically relevant phosphodiesterases (PDEs). Finally, we discuss how this novel class of CDNs is suitable for subcutaneous dosing to clear tumors in different mouse models.</p>

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