Le mélanome uvéal (MU) est le cancer intraoculaire primaire le plus fréquent chez l'adulte et représente 5% des mélanomes. La moitié des patients développent des métastases et 90% de celles-ci sont localisées dans le foie. Le MU métastatique est résistant aux traitements anticancéreux incluant l'immunothérapie. Le foie est un organe où l'immunité est finement régulée grâce à l'activité immunosuppressive de cellules immunitaires et des cellules stellaires hépatiques (CSH). Ces cellules peuvent favoriser une immunosuppression locale par le biais de l'expression de protéines immuno-régulatrices. Mon projet visait à mieux comprendre les mécanismes cellulaires/moléculaires qui mènent à une immunosuppression dans le MU métastatique et comportait deux objectifs spécifiques : 1) l'analyse du microenvironnement tumoral dans des métastases hépatiques de patients à l'aide de marquages immunohistochimiques et 2) l'optimisation d'un modèle in vitro de cocultures avec des cellules cancéreuses du MU (CCMU), des CSH et des cellules immunitaires pour étudier les mécanismes immunosuppressifs dans la niche hépatique. D'abord, des coupes histologiques de métastases hépatiques prélevées sur 11 patients ont été analysées par des méthodes bio-informatiques à la suite de marquages immunohistochimiques pour quantifier les lymphocytes, macrophages, cellules endothéliales et CSH activées. Deux sous-groupes de métastases ont pu être identifiés selon que l'infiltrat immunitaire intra-tumoral était fort ou faible. Les métastases présentant un faible infiltrat immunitaire étaient caractérisées par une forte densité de cellules immunitaires dans la marge. Une haute densité en CSH activées était retrouvée dans la métastase et dans la marge, suggérant une implication des CSH dans l'exclusion des cellules immunitaires de la métastase. Ensuite, un modèle in vitro impliquant la stimulation de cellules immunitaires par des CSH préalablement activées par le milieu conditionné de CCMU a été optimisé. Des analyses de cytométrie en flux du phénotype immunosuppressif des CSH ont révélé une expression élevée de PD-L1 sur ces cellules. Ces expériences ont permis le développement de méthodes d'analyses bioinformatiques de marquages immunohistochimiques de métastases de patients, ainsi que l'optimisation de méthodes de cocultures et d'analyses par cytométrie en flux de différents types cellulaires impliqués dans la formation de métastases hépatiques du MU. / Uveal melanoma (UM) is the most frequent primary intraocular cancer in adults and represents 5% of all melanomas. Half of patients develop metastatic disease, and 90% of them are in the liver. Metastatic UM is remarkably resistant to any treatment currently available, including immunotherapy. The liver is an organ in which immunity is finely regulated thanks to the immunosuppressive activity of immune cells and hepatic stellate cells (HSteCs). These cells could induce immunosuppression through the production of immunoregulatory proteins. My project aimed to get a better understanding of the cell/molecular mechanisms leading to immunosuppression in metastatic UM, and included two specific objectives: 1) the analysis of the tumoral microenvironment in hepatic metastases from patients using immunohistochemical staining and 2) the optimization of an in vitro model of cocultures with UM cells, HSteCs and immune cells to study the immunosuppressive mechanisms in the hepatic niche. First, histological sections of hepatic metastases from 11 UM patients were analyzed using computational methods following immunohistochemical staining to quantify lymphocytes, macrophages, endothelial cells and activated HSteCs. Two subsets of metastases were identified based on whether the intra-tumoral immune infiltrate was strong or weak. Metastases with weak immune infiltrate had a high density of immune cells in the margin. A high density of activated HSteCs was found within the metastasis and the margin, suggesting the involvement of activated HSteCs in the exclusion of immune cells from the metastasis. Next, an in vitro model involving the stimulation of immune cells by HSteCs activated beforehand by the conditioned medium of UM cells was optimized. Flow cytometry analyses characterizing the immunosuppressive phenotype of activated HSteCs revealed a high expression of PD-L1 on these cells. These experiments enabled the development of bioinformatics analysis methods for immunohistochemical stainings of patients' metastases, as well as the optimization of coculture methods and flow cytometry analyses of different cell types involved in UM metastasis formation.

Pour les patients souffrant d'insuffisance rénale terminale, le meilleur traitement est la greffe d'un rein. À la suite de cette greffe, les patients prennent des immunosuppresseurs afin de diminuer les risques de rejeter le greffon. Le but de la prise de ces médicaments est de bloquer les réponses immunitaires pouvant se développer contre le greffon et causer le rejet, soit cellulaire (médié par les lymphocytes T) ou humoral (médié par les anticorps). Cependant, les immunosuppresseurs empêchent aussi le système immunitaire des transplantés de répondre si une infection (virale, bactérienne, fongique, etc.) survient. L'infection au polyomavirus BK est particulièrement observée chez les transplantés rénaux. Alors que certains patients réussissent à éliminer l'infection au virus BK lorsque l'immunosuppression est diminuée, d'autres patients n'y parviennent pas. Mon hypothèse est que la réponse immunitaire des transplantés rénaux aux prises avec une infection à virus BK persistante diffère de la réponse de patients répondeurs au virus BK. Plus spécifiquement, je postule que la réponse contre le virus BK de patients qui se débarrassent de l'infection implique majoritairement le phénotype Th1. De plus, je spécule que la réponse immunitaire de ce type de patients ressemble à celle de sujets sains (HC). Afin de vérifier cette hypothèse, j'ai mis en culture des cellules (PBMCs) de patients ou de sujets sains en présence de peptides du virus BK. Tout d'abord, après une culture cellulaire de 10 jours, les patients persistants et répondeurs présentaient une activation similaire de leurs lymphocytes Th1 en réponse au virus BK. Ensuite, les lymphocytes T folliculaires circulants des transplantés rénaux avec une virémie persistante étaient moins activés à la suite des différentes stimulations. Finalement, les lymphocytes T CD8+ des patients éliminant le virus BK s'activaient (expression de CD69 augmentée) davantage que ceux de patients avec une virémie persistante. En conclusion, bien que nous n'ayons pas validé notre hypothèse, l'activation différente des cellules Tfh et des lymphocytes T CD8+ pourrait aider à distinguer les patients avec virémie persistante des patients éliminant l'infection à virus BK. / For patients suffering from end-stage renal disease, the best treatment is a kidney transplant. Following this transplant, patients take immunosuppressants to reduce the risk of rejecting the graft. Taking these medications blocks the immune responses that can develop against the graft and cause rejection, either cellular (mediated by T lymphocytes) or humoral (mediated by antibodies). However, immunosuppressants also prevent the immune system of transplant recipients from responding if an infection (viral, bacterial, fungal, etc.) occurs. BK polyomavirus infection is particularly observed in kidney transplant recipients. While some patients successfully clear BK virus infection when immunosuppression is reduced, others do not. I hypothesize that the immune response of kidney transplant recipients with persistent BK virus infection differs from the response of BK virus responders. More specifically, I postulate that the response against the BK virus in patients who clear the infection mainly involves the Th1 phenotype. Furthermore, I speculate that the immune response of this type of patients resembles that of healthy controls (HC). To verify this hypothesis, I cultured cells (PBMCs) from patients or healthy subjects in the presence of BK virus peptides. First, after 10 days of cell culture, persistent and responder patients showed similar activation of their Th1 lymphocytes in response to the BK virus. Second, circulating follicular T lymphocytes of kidney transplant recipients with persistent viremia were less activated following different stimulations. Finally, the CD8+ T lymphocytes of patients eliminating the BK virus become activated (increased CD69 expression) more than those of patients with persistent viremia. In conclusion, although we have not validated our hypothesis, the different activation of Tfh cells and CD8+ T lymphocytes could help distinguish patients with persistent viremia from patients clearing BK virus infection.

Les traitements par immunothérapie adoptive actuels sont compromis par une faible infiltration et expansion des LT CD8 injectés. Les travaux antérieurs de l'équipe ont montré une synergie entre les signaux du TCR et du récepteur à l'IL-2 pour la différenciation en Lymphocytes T (LT) effecteurs compétents, un effet qui peut être mimé par une forme constitutivement active du facteur de transcription STAT5 (STAT5CA). Mon projet de thèse à viser à exprimer ce STAT5 actif dans des LT CD8 anti-tumoraux dans le but d'augmenter leur réactivité. Nous démontrons que STAT5CA soutient l'expression de gènes contrôlant la migration, la survie, la composition des granules cytolytiques, la sécrétion de cytokines de type Tc1 (IFNy/TNFα) et leur potentiel de réponse secondaire. Les LT modifiés par STAT5CA sur-expriment les facteurs de transcription T-bet et Eomes qui sont associés respectivement à la différenciation en LT effecteur mémoire et central mémoire. Le potentiel cytolytique et migratoire des LT modifiés par STAT5CA rend ces cellules plus efficaces que des LT contrôlent pour induire une régression tumorale dans des modèles de mélanome transplanté ou induit (modèle TiRP). Ces résultats suggèrent une résistance accrue aux mécanismes d'immunosuppression intra-tumoraux. Contrairement aux LT contrôles, les LT modifiés par STAT5CA sous-expriment l'IL-6Rα et le TGFβRII et ont une moindre sensibilité à l'action immunosuppressive des cytokines IL-6 et TGFβ1. / Adoptive therapies are compromised by poor infiltration and expansion of injected CD8 T cells. Previous work in our team has demonstrated that signals from TCR and IL-2 receptor are acting in synergy to promote the differentiation of CD8 T cells. Moreover, this IL-2 effect can be mimicked by a constitutive active form of STAT5 (STAT5CA). During my PhD, I expressed this active STAT5 in anti-tumor CD8 T cells in order to enhance their activity. We demonstrated that STAT5CA sustains gene expression involved in migration, survival, cytolytic granules composition, Tc1 cytokine secretion (IFNy/TNFα) and secondary response potential. T cells transduced with STAT5CA up-regulate expression of the transcription factors T-bet and Eomes which are involved respectively in effector or central memory T cell differentiation. Cytolytic and migratory properties of STAT5CA T cells contribute to their capacities to induce regression of both transplanted and induced (TiRP model) melanomas, while control T cells were inefficient. Those results suggest that STAT5CA T cells are less sensitive to tumor-derived immunosuppression. Compared to control T cells, STAT5CA T cells show a down-regulation of IL-6Rα and TGFβRII which correlate with their decreased sensitivity to IL-6 and TGF1 derived immunosuppression. Moreover, STAT5CA T cells infiltrate lung, liver and pancreas which open possible treatments for highly frequent tumors that are not efficiently cured.

La pandémie de tuberculose (TB) causée par Mycobactérium tuberculosis (Mtb) n’est pas contrôlée par le vaccin vivant BCG. Mtb induit la formation de granulomes qui évoluent vers une réaction inflammatoire exacerbée détruisant le poumon lors de la TB active. Les rôles des polynucléaires neutrophiles (PNN) et de la cytokine inflammatoire IL-17A dans cette évolution sont à clarifier. Nous montrons, chez la souris, que les PNN sont recrutés dans le poumon en deux vagues après infection par Mtb ou BCG. La deuxième vague dépend du récepteur IL-17RA exprimé par les cellules non-hématopoïétiques. Les chimiokines CXCL-1 et 5 attirant les PNN semblent impliquées. Dans le poumon, ces PNN produisent la cytokine immunosuppressive IL-10 qui diminue la production d’IL-17A. Les cellules dendritiques infectées, présentes dans le granulome, sécrètent aussi CXCL-1. Elles attirent les PNN qui produisent de l’IL-10 bloquant la production d’IL-17A mais pas d’IFN-γ. En effet, seuls les lymphocytes CD4+ Th17 expriment le récepteur à l’IL-10. Nos travaux apportent un éclairage nouveau sur les PNN régulateurs dans le contrôle de inflammation due à l’IL-17A lors de la TB. / Tuberculosis (TB) pandemic, caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), is not controlled by the live vaccine BCG. Mtb induces granuloma formation developing to exacerbated inflammation that destroys the lung during active TB. Roles played by polymorphonuclear neutrophils (PMN) and inflammatory cytokine IL-17A remain ill defined. We show, in the mouse model, that PMN reach the lung in two waves following lung infection with BCG or Mtb. Only the second wave depends on receptor IL-17A expression by non hematopoietic cells. PMN chemoattractants CXCL-1 and 5 seem involved in this late recruitment. In the lung PMN produce immunosuppressive IL-10 that dampens IL-17A production. Mycobacteria infected dendritic cells, present inside granuloma, also secrete CXCL-1. Neutrophils attracted towards infected dendritic cells secrete IL-10 that inhibits IL-17A but not IFN-g production. Indeed, CD4+ Th17 and not Th1 express the IL-10 receptor. Our data shed new light on regulatory PMN in IL-17A-driven lung inflammation during TB.

Les travaux de l'équipe ont permis de montrer qu'IL4I1 est une L-amino acide oxydase sécrétée par les cellules d'origine myéloïde dégradant la phénylalanine en H2O2, NH3 et phénylpyruvate. Elle est fortement exprimée au sein des tumeurs humaines et facilite l'échappement tumoral dans un modèle de mélanome murin. Cette enzyme inhibe l'expression de la chaîne ζ du TCR ainsi que la prolifération des lymphocytes T effecteurs/mémoires via la production d'H2O2. IL4I1 appartient donc à une famille d'enzymes régulatrices des réponses immunitaires impliquées dans la défaillance de la réponse anti-tumorale.Au cours de ma thèse, j'ai montré qu'IL4I1 induit la différenciation des lymphocytes T CD4+ naïfs conventionnels en cellules CD25fortFoxP3+ chez l'Homme et la souris. Ces cellules exercent une action suppressive in vitro équivalente à celle de cellules régulatrices obtenues sans IL4I1 et leur phénotype est similaire. La promotion de la différenciation Treg par IL4I1 a pu être observée dans différentes conditions in vitro et s'avère particulièrement importante lorsque les cellules sont cultivées sans ajout d'IL2 et de TGFβ. Le mécanisme impliqué reposerait en partie sur la consommation de Phe par l'activité enzymatique qui serait responsable de l'inhibition de la voie mTORC1 observée.En conclusion, nous avons démontré un nouveau rôle d'IL4I1 sur les lymphocytes T. Ainsi, en inhibant la prolifération des lymphocytes T et en induisant la polarisation Treg, IL4I1 pourrait jouer un rôle important dans l'échappement tumoral. IL4I1 étant sécrétée et peu exprimée à l'état physiologique, elle pourrait être la cible de traitements adjuvants dans le cancer. / Our team has shown that IL4I1 is a secreted L-amino acid oxidase which degrades phenylalanine into H2O2, NH3 and phenylpyruvate.. This enzyme is produced by myeloid cells and expressed within human cancers. IL4I1 expression facilitates tumor growth in a mouse model. IL4I1 inhibits TCRζ chain expression and T lymphocyte proliferation via H2O2 production. Therefore IL4I1 belongs to a family of enzymes endowed with immune regulatory functions involved in the anti-tumor response failure.During my PhD, I showed that IL4I1 induces CD25highFoxP3+ cells differentiation from conventional naïve CD4+ T cells, both in humans and mice in vitro systems. These cells exert similar in vitro suppressive activity than those obtained without IL4I1 with a similar phenotype. Treg differentiation promotion by L4I1 is observed in various in vitro conditions and is particularly important when cells are cultured without addition of IL2 and TGFβ. The involved mechanism would partially depend on the phenylalanine consumption by the enzymatic activity which would be responsible for the mTORC1 pathway inhibition observed.In conclusion, we have demonstrated a new mechanism of IL4I1 action on T lymphocytes. Thus, by inhibiting T lymphocytes proliferation and by inducing Treg polarization, IL4I1 could play an important role in tumor escape. Since IL4I1 is secreted and weakly expressed under physiological conditions, it could be the target of adjuvant therapy in cancer.

Les lymphocytes T régulateurs (Treg) sont des cellules capables de moduler la réponse immunitaire allogénique dans les deux sens. En effet, il a d'abord été démontré dans des modèles expérimentaux de maladie du greffon contre l'hôte (GVHD) chez la souris que l’élimination des Treg pouvait accentuer la GVHD, alors qu’une thérapie cellulaire à base de Treg peut la contrôler. Ces modèles pré-cliniques ont conduit au développement d'essais cliniques de thérapie cellulaire avec des résultats très prometteurs dans l’allogreffe de cellules souches hématopoïétiques (alloHSCT). Cependant, les procédures d’élimination des Treg ainsi que leur production restent difficiles à développer en grade clinique limitant ainsi leur utilisation. Il est donc essentiel d'avoir une meilleure compréhension des facteurs impliqués in-vivo dans l’effet des Treg au cours de l’alloHSCT afin de développer des approches thérapeutiques alternatives.Plusieurs études ont montré qu'en l'absence de cellules T effectrices, l’effet suppresseur des Treg est altéré. Etant donné que le TNFαest une cytokine centrale abondamment produite par les cellules T au cours de la GVHD, nous avons testé si dans ce contexte les Treg étaient également dépendent d’une signalisation via le TNFα. Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé trois approches expérimentales différentes bloquant l’interaction TNF/TNFR2 dans notre modèle de GVHD expérimentale. Nous révélons pour la première fois une dépendance complète au TNFα des Treg en termes de capacités suppressives in-vivo. Nous montrons également que la seule inhibition de la production de TNFα par les cellules T du donneur est suffisante pour abolir complètement l'effet suppresseur des Treg. Nous pensons que nos résultats ouvrent la voie vers le développement d’une nouvelle approche thérapeutique ciblant les points de contrôle de la réponse immunitaires afin de moduler l’alloréactivité après alloHSCT. En effet, l'inhibition de la voie TNF/TNFR2 pourrait potentialiser l'effet GVL des lymphocytes T du donneur en bloquant l'effet des Treg. Inversement, l’alloréactivité pourrait être fortement réduite ce qui aboutirait au contrôle de la GVHD par l’utilisation d’une molécule agoniste du TNFR2 qui permettrait d’augmenter les Treg ex-vivo. / Regulatory Tcells (Treg) are key target cells to modulate in both ways the allogeneic immune response. Indeed, it was initially demonstrated in experimental mouse models of graft-versus-host disease (GVHD) that Tregs depletion could intensify the disorder whereas cell therapy using Tregs allowed to efficiently prevent experimental aGVHD. These pre-clinical models led to the development of clinical trials of Treg-based cell therapy with already very promising results in allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (alloHSCT). However, the procedures of ex-vivo Tregs depletion as well as Tregs production remain difficult to develop at clinical grade thus limiting their dissemination. It is therefore critical to have a better understanding of factors involved in-vivo in these Treg-dependent effects in alloHSCT to develop alternative therapeutic approaches.Previous studies showed that in the absence of effector Tcells, suppressive effect of Tregs was significantly altered. Since TNFα is a central cytokine abundantly produced by Tcells during aGVHD, we tested whether in the context of alloHSCT the Tregs effect also depends on TNFα signaling. To test this hypothesis, we used three different experimental approaches to prevent TNF/TNFR2 interaction in our model of experimental aGVHD. We revealed for the first time a complete TNFα dependency for Tregs in terms of suppressive capacity in-vivo. We also showed that the sole inhibition of TNFα production by donor Tcells was sufficient to completely abolish the Tregs suppressive effect. We believe that our results pave the way for a novel immune checkpoint therapy to modulate alloreactivity after alloHSCT. Indeed, TNFα inhibition could potentiate the GVL effect of donor lymphocyte by blocking Treg effect. On the other hand, the alloreactivity could be strongly reduced to control GVHD by using TNFR2 agonist molecules in order to expand Tregs ex-vivo.

La rapamycine est un inhibiteur de la voie mTOR dont la propriété immunosuppressive est reconnue pour son action préférentielle sur les lymphocytes T effecteurs et sa capacité à favoriser l’expansion de lymphocytes T régulateurs (Treg) et d’autres cellules immunosuppressives. En transplantation hépatique, la rapamycine a été retirée de l’arsenal thérapeutique dans le traitement de novo du rejet aigu, suite aux résultats obtenus et décrits au sein du « Rapamune Liver Transplant Study Group » qui a conclu à une forte incidence de thromboses de l’artère hépatique. Des travaux récents montrent que l’introduction retardée d’une immunosuppression après une greffe permet de créer, dans certains cas, une fenêtre d’opportunité pour freiner la réponse allogénique initiée. Cette nouvelle configuration pourrait remettre en de question l’utilisation en jeu des inhibiteurs de mTOR en transplantation hépatique. L’objectif de ma thèse a été d’évaluer l’efficacité d’un traitement court et retardé par la rapamycine dans un modèle de greffe hépatique immunogène chez le rat. Notre étude montre qu’un traitement de 8 jours débuté à J4 post transplantation permet de prolonger de manière significative la survie des animaux greffés en améliorant la fonction des greffons. De plus, l’analyse cellulaire des organes lymphoïdes secondaires, montre une prédominance de cellules myéloïdes suppressives (MDSC) et de lymphocytes CD8+CD45RClow à un stade précoce chez les animaux tolérants et dont le taux reste stable à un stade tardif sans modifications majeures du pourcentage de Treg CD4+CD25+Foxp3+ . Ainsi, nos résultats suggèrent un effet protecteur de la rapamycine lorsqu’elle est administrée de façon retardée et courte dans un modèle de greffe hépatique et dont le mécanisme d’induction de tolérance ne semble pas être dépendant des Treg. Cette approche permet de reconsidérer la place de la rapamycine en transplantation hépatique et suggère d’évaluer quelles sont les populations cellulaires impliquées dans le maintien de tolérance. / Rapamycin is an mTOR pathway inhibitor with immunosuppressive property recognized for its preferential action on effectors T cells and its ability to promote the expansion of regulatory T cells (Treg) and other immunosuppressive cells. In liver transplantation, rapamycin has been removed from the therapeutic arsenal for the treatment of de novo acute rejection, following the results of "Rapamune Liver Transplant Study Group" which concluded of a high incidence of thrombosis of the hepatic artery. Recent studies show that the delayed introduction of immunosuppression following transplantation creates, in some cases, a window of opportunity to curb the allogeneic response initiated. This therapeutic approach has restored hope in the future of mTOR inhibitors in liver transplantation. The aim of my thesis was to evaluate the efficacy of a delayed and short course rapamycin treatment in an immunogenic liver transplantation model in rats. Our study shows that treatment of 8 days started at day 4 post-transplantation can significantly prolong the survival of grafted animals by improving the function of the grafts. Cellular analysis of secondary lymphoid compartments shows a predominance of myeloid suppressor cells (MDSC) and CD8+CD45RClow T cells at early stage in tolerant animals and the rate remains stable at a late stage without any major changes in the frequency of CD4+CD25+Foxp3+ Treg. Thus, our preliminary results suggest a protective effect of rapamycin when administered at delayed and short way in a liver transplantation model. Early induction mechanism does not appear to be Treg-dependent. This approach allows to reconsider the place of rapamycin and the cell population involved in the maintenance of tolerance.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes canadiens et la troisième cause de décès relié au cancer. Lorsque diagnostiqué à un stade précoce de la maladie, le cancer de la prostate est traité de manière curative par chirurgie et radiothérapie. Par contre, les thérapies actuelles ne peuvent éradiquer la maladie lorsqu’elle progresse à des stades avancés. Ces thérapies, comme la chimiothérapie et l’hormonothérapie, demeurent donc palliatives. Il est primordial d’optimiser de nouvelles thérapies visant l’élimination des cellules cancéreuses chez les patients atteints des stades avancés de la maladie. Une de ces nouvelles options thérapeutiques est l’immunothérapie. L’immunothérapie du cancer a fait des progrès considérables durant les dernières années. Cependant, les avancements encourageants obtenus lors d’essais précliniques ne se sont pas encore traduits en des résultats cliniques significatifs. En ce qui concerne le cancer de la prostate, les résultats négligeables suivants des interventions immunothérapeutiques peuvent être causés par le fait que la plupart des études sur le microenvironnement immunologique furent effectuées chez des modèles animaux. De plus la majorité des études sur l’immunologie tumorale humaine furent effectuées chez des patients atteints d’autres cancers, tels que le mélanome, et non chez les patients atteints du cancer de la prostate. Donc, le but central de cette thèse de doctorat est d’étudier le microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate afin de mieux définir les impacts de la tumeur sur le développement de la réponse immunitaire antitumorale. Pour réaliser ce projet, nous avons établi deux principaux objectifs de travail : (i) la caractérisation précise des populations des cellules immunitaires infiltrant la tumeur primaire et les ganglions métastatiques chez les patients atteints du cancer de la prostate; (ii) l’identification et l’étude des mécanismes immunosuppressifs exprimés par les cellules cancéreuses de la prostate. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la progression du cancer de la prostate est associée au développement d’un microenvironnement immunosuppressif qui, en partie, est régulé par la présence des androgènes. L’étude initiale avait comme but la caractérisation du microenvironnement immunologique des ganglions drainant la tumeur chez des patients du cancer de la prostate. Les résultats présentés dans le chapitre III nous a permis de démontrer que les ganglions métastatiques comportent des signes cellulaires et histopathologiques associés à une faible réactivité immunologique. Cette immunosuppression ganglionnaire semble dépendre de la présence des cellules métastatiques puisque des différences immunologiques notables existent entre les ganglions non-métastatiques et métastatiques chez un même patient. La progression du cancer de la prostate semble donc associée au développement d’une immunosuppression affectant les ganglions drainant la tumeur primaire. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l’impact de la thérapie par déplétion des androgènes (TDA) sur le microenvironnement immunologique de la tumeur primaire. La TDA est associée à une augmentation marquée de l’inflammation prostatique. De plus, les protocoles d’immunothérapies pour le cancer de la prostate actuellement évalués en phase clinique sont dirigés aux patients hormonoréfractaires ayant subi et échoué la thérapie. Cependant, peu d’information existe sur la nature de l’infiltrat de cellules immunes chez les patients castrés. Il est donc essentiel de connaître la nature de cet infiltrat afin de savoir si celui-ci peut répondre de manière favorable à une intervention immunothérapeutique. Dans le chapitre IV, je présente les résultats sur l’abondance des cellules immunes infiltrant la tumeur primaire suivant la TDA. Chez les patients castrés, les densités de lymphocytes T CD3+ et CD8+ ainsi que des macrophages CD68+ sont plus importantes que chez les patients contrôles. Nous avons également observé une corrélation entre la densité de cellules NK et une diminution du risque de progression de la maladie (rechute biochimique). Inversement, une forte infiltration de macrophages est associée à un plus haut risque de progression. Conjointement, durant cette étude, nous avons développé une nouvelle approche informatisée permettant la standardisation de la quantification de l’infiltrat de cellules immunes dans les échantillons pathologiques. Cette approche facilitera la comparaison d’études indépendantes sur la densité de l’infiltrat immun. Ces résultats nous ont donc permis de confirmer que les effets pro-inflammatoires de la TDA chez les patients du cancer de la prostate ciblaient spécifiquement les lymphocytes T et les macrophages. L’hypothèse intéressante découlant de cette étude est que les androgènes pourraient réguler l’expression de mécanismes immunosuppressifs dans la tumeur primaire. Dans le chapitre V, nous avons donc étudié l’expression de mécanismes immunosuppressifs par les cellules cancéreuses du cancer de la prostate ainsi que leur régulation par les androgènes. Notre analyse démontre que les androgènes augmentent l’expression de molécules à propriétés immunosuppressives telles que l’arginase I et l’arginase II. Cette surexpression dépend de l’activité du récepteur aux androgènes. Chez les patients castrés, l’expression de l’arginase II était diminuée suggérant une régulation androgénique in vivo. Nous avons observé que l’arginase I et l’arginase II participent à la prolifération des cellules du cancer de la prostate ainsi qu’à leur potentiel immunosuppressif. Finalement, nous avons découvert que l’expression de l’interleukin-8 était aussi régulée par les androgènes. De plus, l’interleukin-8, indépendamment des androgènes, augmente l’expression de l’arginase II. Ces résultats confirment que les androgènes participent au développement d’une microenvironnement immunosuppressif dans le cancer de la prostate en régulant l’expression de l’arginase I, l’arginase II et l’interleukin-8. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse témoignent du caractère unique du microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate. Nos travaux ont également permis d’établir de nouvelles techniques basées sur des logiciels d’analyse d’image afin de mieux comprendre le dialogue entre la tumeur et le système immunitaire chez les patients. Approfondir les connaissances sur les mécanismes de régulation du microenvironnement immunologique chez les patients atteint du cancer de la prostate permettra d’optimiser des immunothérapies mieux adaptées à éradiquer cette maladie. / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer in Canadian men and the third cause of cancer related death. When diagnosed at an early stage, prostate cancer can be effectively cured by surgery and radiotherapy. However, current therapies do not eradicate the advanced stages of the disease. Treatment of prostate cancer via chemotherapy or hormonotherapy remains palliative. It is thus essential to optimize novel therapies whose goal is to eliminate tumor cells in patients with advanced prostate cancer. One such approach is immunotherapy. Cancer immunotherapy has made important strides in recent years. The encouraging progress observed in pre-clinical trials has nonetheless not translated to significant results in the clinical setting. Concerning prostate cancer, the limited clinical efficacy of current immunotherapeutic protocols could be explained by the lack of studies directly evaluating the immunological microenvironment in prostate cancer patients and not in animal models or in patients afflicted by other malignancies, such as melanoma. Thus, the fundamental goal of this Ph.D. thesis is to study the immunological microenvironment in prostate cancer patients in order to better understand the impact of the tumor on the development of the anti-tumoral immune response. To realize this project, we established two main working objectives: (i) to precisely characterize the immune cell populations in tumor draining lymph nodes (LNs) and in the primary tumor of prostate cancer patients; (ii) to identify and to study the immunosuppressive pathways expressed by prostate cancer cells. The results detailed in this thesis demonstrate that prostate cancer progression is associated with the development of an immunosuppressive microenvironment, which is regulated, in part, by the presence of androgens. The initial study was based on the characterization of the immunological microenvironment of tumor draining LNs of prostate cancer patients. The results presented in chapter III allowed us to demonstrate that metastatic lymph nodes displayed cellular and histopathological evidence associated with a reduced immunological reactivity. This LN immunosuppression seemed to be dependant on the presence of metastatic cells as we noted significant immunological differences between non-metastatic and metastatic lymph nodes of the same patient. Prostate cancer progression was thus associated with the development of an immunosuppressive state, which affected tumor-draining lymph nodes. Next, we studied the impact of androgen deprivation therapy (ADT) on the immunological microenvironment of the primary tumor. Following ADT, there is a marked augmentation in intra-prostatic inflammation. Immunotherapeutic protocols currently evaluated in clinical trials are targeted at hormone refractory patients, which have received and failed ADT. However, very little information is available regarding the nature of the post-ADT immune infiltrate. Thus, it becomes essential to understand whether this post-ADT infiltrate could positively react to immunotherapy. In chapter IV, I present the results of the quantification of the immune cell abundance within the primary tumor. In patients who have received ADT prior to surgery, there was an elevated density of CD3+ and CD8+ T lymphocytes as well as CD68+ macrophages compared to control patients. We also observed an inverse correlation between the NK cell density and the risk of disease progression (biochemical recurrence). Conversely, an elevated macrophage infiltration was associated with a higher risk of progression. Furthermore, for this study, we developed a novel computerized approach allowing for the standardization of the quantification of immune cell infiltrate. This approach could facilitate the interpretation of results from independent studies on the density of immune cells within pathological specimens. This study confirmed that the pro-inflammatory impact of androgen deprivation therapy in prostate cancer patients target specifically the T lymphocyte and macrophage populations. The interesting hypothesis arising from this study was that androgens could positively regulate the expression of immunosuppressive pathways within the primary tumor. In chapter V, we evaluated the immunosuppressive mechanisms expressed by prostate cancer cells and regulated by androgens. Our analysis demonstrate that androgens increase the expression of molecules with immunosuppressive properties, such as arginase I and arginase II in an androgen receptor dependent manner. This androgen regulated expression of arginase II was also observed in prostate cancer patients treated by ATD. We observed that arginase I and arginase II participate in prostate cancer cell proliferation as well as in their immunosuppressive potential. Finally, we discovered that interleukin-8 expression was also regulated by androgens. Moreover, interleukin-8, independently of androgens, increased the expression of arginase II. Altogether, these results confirmed that androgens participate in the development of an immunosuppressive microenvironment in prostate cancer by regulating the expression of arginase I, arginase II and interlukin-8. In conclusion, the results presented in this thesis attest to the unique character of the immunological microenvironment in prostate cancer patients. Our work has also allowed to establish novel software-based analysis methods in order to better understand the dialogue between the tumor and the immune system. Further understanding of the regulatory pathways involved in the immunological microenvironment will allow for the optimization of immunotherapies better suited to eradicate prostate cancer.

Les lymphocytes T cytotoxiques (CTLs) présents au niveau des tumeurs reconnaissent des antigènes présentés par les cellules cancéreuses, mais ne parviennent pas à induire le rejet de ces tumeurs chez les patients cancéreux. Cette observation a amené les immunologistes à étudier les différents mécanismes d'immunosuppression induits par les tumeurs qui permettent aux cellules cancéreuses d'échapper à la reconnaissance et à la destruction immunitaires. L'un des mécanismes contribuant à la résistance des tumeurs aux réponses immunitaires est le recrutement de lymphocytes T CD4+ régulateurs (Tregs). Les Tregs s'accumulent au niveau des sites tumoraux et jouent un rôle important dans la suppression des réponses immunitaires dirigées contre les cellules tumorales. Dans ce travail de thèse, nous rapportons que des épitopes tumoraux dérivés des protéines NY-ESO-1 et TRAG-3 stimulent à la fois des lymphocytes T CD4+ auxiliaires (Th) et des Tregs chez des patients porteurs de mélanome. Grâce à une analyse clonotypique, nous démontrons que, contrairement aux cellules CD4+ Th, les TCR des Tregs dirigés contre NY-ESO-1 et TRAG-3 sont retrouvés à la fois dans le répertoire des Tregs naturels (CD4+CD25high) et dans celui des cellules T CD4+ classiques/Th (CD4+CD25-), au niveau des PBMCs des patients. Cette observation suggère que le recrutement des Tregs spécifiques d'antigènes tumoraux se fait en partie par la conversion des cellules T CD4+ classiques suite à leur stimulation chronique par des antigènes de tumeurs. / Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) present in tumors recognize tumor antigens presented by cancer cells but fail to induce tumor rejection in patients. This observation has led immunologists to study the different mechanisms of tumor-induced immunosuppression that allow cancer cells to escape from recognition and destruction by the immune system. One of the mechanisms contributing to tumor resistance to immune responses is the recruitment of CD4+ regulatory T cells (Tregs). Tregs accumulate at tumor sites and play an important role in suppressing immune responses against tumor cells. In this thesis, we report that tumor epitopes derived from the proteins NY-ESO-1 and TRAG-3 stimulate both CD4+ T helper cells (Th) and Tregs in patients with metastatic melanoma. Through clonotypic analysis, we show that, within PBMCs of melanoma patients, tumor antigen-specific Tregs, but not Th cells, share a common TCR usage with naturally-occuring Tregs (CD4+CD25high) and Th cells (CD4+CD25-), suggesting that their recruitment occurs through the peripheral conversion of CD4+CD25- T cells upon chronic antigen exposure. The second part of this thesis consists of the study of inhibitory receptors expressed by CTLs directed against tumor antigens which, upon engagement by their ligands presented on the surface of tumor cells, activate negative regulatory pathways. Here, we report that tumor-induced CTLs directed against a peptide derived from NY-ESO-1 in melanoma patients upregulate the expression of the inhibitory receptors PD-1, Tim-3 and BTLA. Additionaly, the co-expression of PD-1 with Tim-3 and/or BTLA defines populations of dysfunctional tumor antigen-specific CTLs.

Les lymphocytes T régulateurs (Treg) jouent un rôle prépondérant dans la tolérance du système immunitaire. En physiopathologie, un défaut quantitatif ou fonctionnel en Treg favorise le développement de maladies auto-immunes tandis que leur présence participe au développement tumoral. En particulier, la présence de Treg dans le stroma immunitaire de la tumeur (TiTreg) est de mauvais pronostic pour la survie des patientes atteintes de cancers du sein et de l'ovaire. Les Treg sont recrutés dans la tumeur via l'axe CCL22/CCR4 et sont activés et amplifiés via leur interaction avec les pDC et l'axe de co-stimulation ICOS-ICOSL qui favorise leurs capacités suppressives. Ce projet contribue aux efforts réalisés ces dernières années visant à la compréhension des mécanismes d'immunosuppression des Treg opérant dans les tumeurs humaines. En effet, ce projet met en évidence que les Ti-Treg humains expriment fortement l'ectonucléotidase membranaire CD39. Cette enzyme extracellulaire catabolise l'Adénosine tri-phosphate (ATP) en Adénosine Monophosphate (AMP) pouvant être ensuite dégradé, via l'ectonucléotidase CD73, en Adénosine (Ado). Alors que l'ATP représente une Alarmine (signal de danger extracellulaire) qui en particulier contribue à l'activation de l'inflammasome, l'Ado possède un fort pouvoir immunosuppresseur qui est illustré chez les patients atteints d'une déficience de l'enzyme Adénosine Déaminase (ADA), ne pouvant dégrader l'Ado en Inosine (Ino), développent un Syndrome d'Immunodéficience Sévère. Contrairement au Treg murins, les Treg humains n'expriment pas CD73. Cependant nous avons pu identifier une population de lymphocytes T CD4+ mémoires non régulateurs (Tconv) exprimant CD73 et coopérant ainsi avec les Treg CD39+ pour la génération d'Ado. Cette population présente une capacité accrue de sécrétion de cytokines inflammatoires (IFNgamma, IL-17A, IL-22, GM-CSF) et l'expression de molécules (CXCR3, CCR6, MDR1) caractéristiques du profil Th1/17. De plus ces cellules semblent être moins sensibles à une régulation médiée par les points de contrôles dits immune-checkpoints (ICPs) tel que PD-1, CTLA-4, TIM-3, TIGIT. Par contre, les Tconv CD73+ sont sensibles à l'Ado généré lors de la coopération avec les Treg CD39+ qui engendre l'inhibition de leur prolifération et de leur sécrétion d'IFNgamma et de GM-CSF mais pas de l'IL-17A. L'Ado qui agit localement, peut également entrainer la suppression des Tconv CD73neg dans l'environnement proche. L'ensemble de ces résultats montre que l'expression de CD73 caractérise une population de T CD4 effecteurs polyfonctionnelle Th1/17 qui est une cible privilégiée et coopérative de l'immunosuppression des Treg dans l'environnement tumoral. En outre l'action d'Ado transforme ce puissant effecteur anti-tumoral en cellule potentiellement pro-tumorale via l'unique sécrétion privilégiée d'IL17 / Regulatory T cells (Tregs) play a key role in the immune system tolerance. In pathophysiology, a quantitative or functional defect in Treg promotes development of autoimmune diseases while their presence involved in tumor development. In particular, the presence of Treg in the immune stromal tumor environment (Ti-Treg) is associated with a poor prognosis for survival of patients suffering from breast cancer and ovarian cancer. Treg are recruited in the tumor through the CCL22 / CCR4 axis and are activated and amplified through their interaction with pDC expressing costimulatory axis ICOS-ICOSL and promoting their suppressive capacity. This project contributes to the efforts made in recent years to understand suppressive mechanisms of Treg operating in human tumors. Indeed, this project demonstrates that humans Ti-Treg strongly express the membrane ectonucleotidase CD39. This extracellular enzyme catabolizes Adenosine-triphosphate (ATP) to adenosine-monophosphate (AMP) which can then be degraded through the ectonucleotidase CD73 into Adenosine (Ado). While ATP is an Alarmine (extracellular danger signal) that particularly contributes to the inflammasome activation, Ado has strong immunosuppressive effect which is illustrated in patients with deficiency of the enzyme Adenosine Deaminase (ADA), which cannot degrade Ado into Inosine (Ino) and develop an Immunodeficiency Syndrome Severe. Unlike murine Treg, human Treg do not express CD73. However we could identify a non-regulatory population of CD4+ T cells (Tconv) expressing CD73, and thus cooperating with CD39+ Treg for Ado generation. This population has an increased capacity of secretion of inflammatory cytokines (IFNgamma, IL-17A, IL-22, GM-CSF) and the expression of molecules (CXCR3, CCR6, MDR1) characteristics of Th1/17 profile. Moreover, these cells appear to be less sensitive to regulation mediated by the immunocheckpoints (ICPs), such as PD-1, CTLA-4, TIM-3, TIGIT. Nonetheless CD73+ Tconv are sensitive to Ado generated in cooperation with CD39+ Treg which induce the inhibition of their proliferation and their secretion of IFNgamma and GM-CSF but not IL-17A . Ado acting locally, can also inhibit the Tconv CD73neg in the surrounding environment. All these results show that the expression of CD73 characterizes a population of multifunctional effector T CD4 Th1/17, which is a specific and cooperative target of Treg immunosuppression in the tumor environment. In addition the action of Ado transforms this potent anti-tumor effector to potentially pro-tumor cells which only secret IL17