Study of tumor cell metabolism and its relationship with NK cell-mediated immunotherapy

par Ewelina Krzywinska

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Martin Villalba.

Le président du jury était Daniel Olive.

Le jury était composé de Martin Villalba, Daniel Olive, Laurent Gros.

Les rapporteurs étaient Miguel Lopez-Botet, Jacques Nunès.

  • Titre traduit

    Etude du métabolisme cellulaire de la tumeur et sa relation avec l'immunothérapie médiée par les cellules NK


  • Résumé

    La formation et le développement d'une tumeur sont provoqués par une série de défauts qui se produisent à l'intérieur de la cellule cancéreuse et dans son microenvironnement. Ces anomalies permettent à la cellule de développer ses propres stratégies de croissance, de prolifération, de différenciation et de métabolisme. Toutes ces adaptations, ainsi que la création d'un micro-environnement unique favorisent la croissance de la tumeur et inhibent la réponse immunitaire anti-tumorale. Le métabolisme des cellules cancéreuses et l'évasion immunitaire sont des points très sensibles dans le développement des cancers et peuvent être utilisés en clinique. Les études récentes suggèrent que ces deux phénomènes sont liés, et que le métabolisme des cellules cancéreuses peut amener à l'échappement immunitaire par la tumeur. Le métabolisme des cellules tumorales a tendance à éviter l'activité mitochondriale et la phosphorylation oxydative, et est principalement basée sur la glycolyse pour la production d'énergie (effet Warburg). Mon travail de thèse est divisé en deux parties. Dans la première partie nous avons proposé un concept thérapeutique novateur avec une nouvelle thérapie combinatoire pour le traitement de cancers hématologiques. Cette thérapie est basée sur l'induction de changements métaboliques par le dichloroacétate (DCA), et elle est associée avec la chimiothérapie conventionnelle (doxorubicine, vincristine) pour réactiver les fonctions de p53. Les tumeurs avec p53 mutantes sont résistantes à cette combinaison. Dans ce cas, nous avons constaté que le DCA peut coopère avec 17-AAG (l'inhibiteur de Hsp90) pour éliminer spécifiquement les cellules cancéreuses. En conséquence, une meilleure compréhension des signaux et des mécanismes par lesquels le DCA sensibilise les cellules tumorales à la chimiothérapie est nécessaire pour en comprendre le mode d'action. En outre, l'identification de ce mécanisme permettra d'élucider les voies métaboliques impliquées dans la survie des cellules cancéreuses. La deuxième partie de ma thèse se concentre sur la biologie des cellules NK. Les cellules NK sont des lymphocytes du système immunitaire inné et possèdent une cytotoxicité naturelle contre les cibles, c'est à dire les cellules tumorales. L'utilisation optimale des cellules NK en clinique nécessite leur expansion et leur activation in vitro. Les cellules NK s'activent en présence de cytokines ou par le contact avec les cellules cibles. L'activation des cellules NK induit la prolifération, mais celle-ci dépend aussi de la présence d'autres cellules immunitaires. L'activation, par les cytokines et par les cellules cibles, induit un différent ARNm/microARN profil d'expression. L'analyse détaillée des isoformes de la protéine tyrosine phosphatase CD45 a permis de caractériser de nouvelles populations de cellules NK anti-tumorales humaines. L'identification de différentes populations de cellules NK est très importante pour la compréhension de leur physiologie et pour l'amélioration de leur utilisation en immunothérapie clinique. Cela peut également donner des informations précieuses sur l'état physiologique de l'hôte. En effet, l'augmentation des cellules CD45RAdim et CD45RO + dans le compartiment des cellules NK matures identifie clairement les patients avec des hémopathies malignes. Nous pensons que leur détection peut être utilisée comme un outil de diagnostic et également pour évaluer l'efficacité des traitements anti-tumoraux, car ces populations de cellules NK spécifiques devraient diminuer lors de l'élimination de cellules tumorales cibles. Dans l'avenir, nous voulons combiner le traitement du métabolisme de la tumeur avec la thérapie anti-tumorale basée sur les cellules NK. Sur la base de nos données préliminaires, nous pouvons proposer le traitement des cellules cancéreuses par des médicaments métaboliques pour augmenter la sensibilité et la reconnaissance par les cellules NK activées.


  • Résumé

    Tumor formation and development are caused by a range of defects that occur inside the cancer cell and in the external cellular microenvironment. These abnormalities allow developing tumors to establish their own strategies of growth, proliferation, differentiation and metabolism. All these adaptations, as well as the creation of a unique microenvironment, promote tumor growth and suppress the anti-cancer immune response. Tumor cell metabolism and immune evasion are sensitive points of cancer development that can be targeted in clinic. Recent studies suggest that these two phenomena are related and that cancer cell metabolism may propel tumor immune escape. Tumor cell metabolism tends to avoid mitochondrial activity and oxidative phosphorylation (OXPHOS), and largely relies on glycolysis to produce energy (Warburg effect). My thesis work is divided into two parts. The first one proposes an innovative therapeutic strategy, which is the use of different combinatorial therapy depending on the p53 status for the treatment of hematological cancers. This is based on the induction of metabolic changes by dichloroacetate (DCA), combined with conventional chemotherapy (doxorubicin, vincristine) to reactivate wild type p53 functions. Mutant p53 tumors are resistant to this combination approach. However, we found that DCA synergized with the Hsp90 inhibitor 17-AAG to specifically eliminate these cells. Therefore, a clearer understanding of the signals and mechanisms by which DCA sensitize cancer cells to chemotherapy was needed to understand its mode of action. We uncovered it in our work. In addition, identification of this mechanism will help to elucidate metabolic pathways involved in cancer cell survival.The second part of my thesis is focused on the study of NK cell biology. NK cell is an innate immune system lymphocyte lineage with natural cytotoxicity against targets, i.e. tumor cells. Its optimal use in the clinic requires in vitro expansion and activation. Cytokines and the encounter with target cells activate NK cells, induce their proliferation, and cause clearly different mRNA/miRNA expression profile. Detailed analysis of the leucocyte-specific phosphatase CD45 isoforms allowed us to characterize new human anti-tumor NK cell populations. The identification of the different NK cell populations is important for understanding their physiology and for improving their therapeutic use in the clinic. It can also give valuable information about the host physiological status. Indeed, the increase of CD45RAdim and CD45RO+ cells in the mature NK cell compartment clearly identifies patients with hematological malignancies. We thus hypothesize that their detection could be used as a diagnostic tool, and also to assess the efficacy of antitumor treatments, because these specific NK cell populations should decrease upon removal of the targeted tumor cells. Our future goal is to use a novel combinatorial therapy in hematological cancers that will combine metabolic drugs and NK cell-based therapy. Based on our preliminary data, we propose that the treatment of cancer cells with metabolic drugs could increase their sensitivity and recognition by activated NK cells.


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