UNIVERSITÉ PARIS-SUD 11 Faculté de Médecine Paris Sud Année 2011 N° attribué par la bibliothèque THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PARIS-Sud 11 Champ Disciplinaire: Immunologie Ecole Doctorale de rattachement: Cancérologie Présentée et soutenue publiquement Par Yuting MA Le 28 Juin 2011 The crosstalk between dying tumor cells and immune effectors within tumor microenvironment elicited by anti-cancer therapies dictates the therapeutic outcome Directeur de thèse: Pr Laurence ZITVOGEL JURY Président: Pr Pierre GALANAUD Rapporteur: Pr Olivier LANTZ Rapporteur: Pr Jean-Jacques FOURNIÉ Examinateur: Pr Marc BONNEVILLE Examinateur: Pr Francine JOTEREAU 1 Table of Content Acknowledgement ............................................................................................................... 3 Résumé ................................................................................................................................ 4 Summary .............................................................................................................................. 7 Abbreviations ....................................................................................................................... 9 Introduction ........................................................................................................................ 12 Immunosurveillance: friend or foe for tumor control? ................................................ 12 Immunosurveillance versus immunediting .......................................................... 12 Role of inflammation in oncogenesis and tumor escape .................................... 14 Dynamic interconnection between pro- and anti-tumor inflammation ................ 16 Tumor microenvironment and tumor infiltrating immune cells ................................... 17 The impact of tumor infiltrating immune cells and their effector molecules on tumor progression ............................................................................................... 17 Tumor-derived factors impair the function of immune cells ................................ 19 Immunogenicity of chemotherapy and radiotherapy induced cell death.................... 20 Chemotherapy and radiotherapy could trigger immune response ..................... 20 Checkpoints for generating immunogenic cell death and anti-tumor response . 21 The property of the drugs ............................................................................ 21 Tumor derived factors and their perception ................................................. 22 Hereditary factors from the host .................................................................. 24 Coordinated function of immune cells and effector molecules .................... 25 Objectives of research ................................................................................................ 27 Materials and Methods ...................................................................................................... 29 Results and Discussion ..................................................................................................... 35 Part I. The contribution of IL-17 producing T cells during chemotherapy and radiotherapy ................................................................................................................ 35 Chemotherapy induced the expression of immune genes in tumor bed ............ 35 The source of IL-17A and IFN- in tumor bed triggered by chemotherapy ........ 36 The contribution of IFN- and IL-17A during chemotherapy ............................... 37 The role of T cells and associated cytokines during chemotherapy............... 40 The link between IL-17A/ T and IFN-/CD8+T response ................................. 47 Contributive factors for T17 activation in the context of chemotherapy induced tumor cell death ................................................................................................... 49 Contribution of AhR, CCR6/CCL20, TGF-β and IL-6 pathway during chemotherapy ...................................................................................................... 52 Strategies to improve anti-cancer therapy with T cells ................................... 55 Part II. Optimized therapeutic application of TLR3 agonist by uncoupling tumor derived chemokines .................................................................................................... 59 Perspective ........................................................................................................................ 66 Reference .......................................................................................................................... 68 Annex 1: Protocols ........................................................................................................... 101 Annex 2：Publication and Patent Application ................................................................. 105 Annex 3：First-authored Papers ..................................................................................... 107 2 Acknowledgement I would like to thank my mentor Pr Laurence ZITVOGEL for all her guidance and inspiring discussions during my thesis. I appreciate her encouragement to “look beyond what I see” and her help to explore my potential in science. I benefited a lot from our nice collaboration with Pr Guido KROEMER. His innovation, efficiency, devotion to science and elegance of reasoning set an example for me to continue my scientific research. I appreciate Pr Mark J SMYTH‟s passionate support and encouragement at the beginning of my scientific career. I would like to thank Pr Pablo PEREIRA, Pr Goro MATSUZAKI and Pr Koichi IKUTA who helped me get started with T17 project. I would like to acknowledge Pr Pierre GALANAUD, Pr Olivier LANTZ, Pr Jean-Jacques FOURNIÉ, Pr Marc BONNEVILLE and Pr Francine JOTEREAU who devoted their precious time reviewing my thesis, attending my thesis defense and providing valuable suggestions. I would take the chance to thank China Scholarship Council for their financial support during my French PhD. I wish to express my gratitude to Pr Feili GONG, my previous mentor in China, who brought me into the field of medical research and inspired me in both science and life. I enjoyed the pleasant collaboration with Noelia CASARES, Oliver KEPP, Ana ROMERO, Takahiro YAMAZAKI, Stephen MATTAROLLO, Daniel M ANDREWS, Rosa CONFORTI, Antonella SISTIGU, Dalil HANNANI, Isabelle MARTINE and Mickael MICHAUD. I would thank all my colleagues in INSERM U1015 for their support and accompany. I appreciate the invaluable help from Dr Patrick GONIN, Karine SER-LE ROUX, Melanie POLROT, Benoit PETIT, Justine DENIAU in the animal facility of Institut Gustave Roussy during my thesis. Last but not the least, I wish to thank my parents Fangping MA and Laxia XU for their best gift of life, their whole-hearted love and unconditional support since I was born. It is my greatest joy to share all my honors and achievements with them! This manuscript is dedicated to my beloved husband and soulmate Dr Heng YANG for his ten years of accompany, adoration, understanding, comfort and help! 3 Résumé En dehors des effets cytostatiques ou cytotoxiques sur les cellules tumorales, certaines thérapies anti-cancéreuses (anthracyclines, l'oxaliplatine, rayons X) peuvent déclencher la mort cellulaire immunogénique, libérant ainsi les signaux de danger pour alerter le système immunitaire. Nous avons montré que les cellules T CD8+ T (Tc1) productrices d‟IFN- et spécifiques de la tumeur sont nécessaires pour le succès de la chimiothérapie et la diminution de la croissance tumorale. L‟amorçage d‟une réponse bénéfique Tc1 dépend de la sécrétion d'IL-1β par les cellules dendritiques confrontées à des cellules tumorales traitées avec de l‟anthracycline libérant de l‟ATP. Afin d‟identifier les composants inflammatoires qui lient les réponses immunitaires innées et adaptatives, nous avons analysé l'influence de la chimiothérapie immunogène sur le microenvironnement de la tumeur. Nous avons identifié une up-régulation de gènes associés à la réponse Th1 et Th17 dans un modèle de tumeur répondant au traitement par les anthracyclines par un retard de croissance. En interférant avec les voies IFN- ou l'IL-17A, l'effet thérapeutique de la doxorubicine et l'oxaliplatine a été aboli dans ce modèle et le vaccin à base de cellules tumorales mortes a perdu de son efficacité à protéger les souris de la réintroduction de cellules tumorales vivantes. Nous avons également découvert que des sous-populations distinctes de lymphocytes T (V4+ et V6+) colonisent des tumeurs peu de temps après la chimiothérapie, où ils ont proliféré et sont devenus producteurs majeurs de l‟IL-17 au sein de la tumeur. Nous avons constaté une forte corrélation entre la présence de lymphocytes T producteurs d‟IL-17 ( T17) et de TIL CD8+ (Tc1) dans trois modèles différents de tumeurs traitées par la chimiothérapie ou la radiothérapie. IL-17A agit sur la signalisation en amont de l'IFN- puisqu‟un défaut d‟expression d‟IL-17RA conduit à la perte complète de la production des Tc1 spécifiques de l‟antigène. La contribution des cellules T17 (V4+ et V6+) dans l‟effet bénéfique de la chimiothérapie est essentielle puisque les souris V4/6-/- ont montré une réduction de leur sensibilité à la chimiothérapie et la vaccination 4 anti-tumorale et l'infiltration tumorale par les cellules T17 et Tc1 a été réduite au niveau basal chez ces souris. L‟axe IL-1β/IL-1R, mais pas IL-23/IL-23R, est essentielle