Design and synthesis of multivalent glycoconjugates for anti-cancer immunotherapy

par Carlo Pifferi

Thèse de doctorat en Chimie biologie

Sous la direction de Olivier Renaudet et de Nathalie Berthet.

Le président du jury était Boris Vauzeilles.

Le jury était composé de Serge Pérez.

Les rapporteurs étaient Cristina Nativi, Richard Daniellou.

  • Titre traduit

    Conception et synthèse de glycoconjugués multivalents pour l'immunothérapie anticancéreuse


  • Résumé

    Le cancer est l’une des principales causes de mort dans le pays développés ; bien que les opérations chirurgicales, la radiothérapie et la chimiothérapie représentent aujourd’hui les principales options de traitement des patients souffrants de tumeurs malignes, leurs effets secondaires sévères ont ouvert la voie au développement de l’immunothérapie antitumorale. A part l’immunothérapie passive, qui est basée sur les anticorps ou tout autre composant du système immunitaire synthétisés en dehors du corps dont la potentielle menace de réactions immunes a été prouvée, nous avons concentré nos efforts sur l’immunothérapie active, qui réside dans la stimulation du système immunitaire du patient pour éradiquer sélectivement les cellules malignes. L’identification d’antigènes carbohydrates associés aux tumeurs (TACAs), surexprimés à la surface des cellules cancéreuses, a permis le développement de vaccins spécifiques à cet antigène. Il est connu depuis plus de 40 ans que la majorité des cancers chez l’homme sont caractérisés par une glycosylation aberrante. Les cellules tumorales peuvent surexprimer des versions tronquées d’oligosaccharides, une séquence terminale inhabituelle ou une augmentation de la sialylation des glycolipides et des glycoprotéines de surface. Un oligosaccharide d’une glycoprotéine tronqué peut rendre une partie de la chaîne principale du peptide, d’habitude caché par le sucre, plus accessible au système immunitaire. Parmi les différents TACAs, nous avons concentré notre attention sur les antigènes Tn et Tf, qui peuvent être trouvés sur des glycoprotéines comme MUC-1, surexprimés sur plus de 90% des carcinomes du sein. Bien que la conception de ces immunomodulateurs repose toujours sur des règles empiriques, il est important de déclencher à la fois la réponse humorale et cellulaire, ainsi qu’un effet de mémoire. Ce défi peut être relevé en combinant, sur une seule molécule, l’antigène carbohydrate exprimés à la surface des tumeurs (épitope des cellules B), les peptides capables de stimuler les cellules CD4+ et CD8+ (épitopes des cellules T) et un adjuvant, pour recueillir tous les éléments du système immunitaire au niveau du site d’injection et renforcer l’absorption des antigènes. De précédentes études faites dans notre groupe de recherche ont publié pour la première fois la synthèse et l’évaluation immunologique d’un prototype de vaccin anticancéreux à quatre composant capable d’induire une réponse immunitaire de longue durée sur des modèles murins. Dans mon travail de thèse, nous avons voulu synthétiser des prototypes de vaccin anticancéreux basés sur les TACAs avec des propriétés immunologiques accrues. Notre stratégie de conception a été guidée par (i) l’importance d’une haute densité de carbohydrates pour promouvoir une capture d’antigène plus efficace et un traitement par les cellules présentatrices d’antigène, et (ii) l’expression hétérogène des TACAs au cours de la maladie et parmi différents patients. En respectant ces deux aspects, il sera possible de déclencher une réponse immunitaire plus forte et à plusieurs facettes.


  • Résumé

    Cancer is one on the leading causes of death in developed countries; although surgical resection, direct irradiation and cytotoxic chemotherapy represent nowadays the main treatment options for patients suffering with malignancies, their severe side effects paved the way for the rise in popularity of antitumoral immunotherapy. Apart from passive immunotherapy, which is comprised of antibodies or other immune system components that are made outside of the body and has been shown to be associated to potentially life threatening immune reactions, we focused our efforts towards active immunotherapy, which purpose is stimulate the patient immune system to selectively eradicate malignant cells. The identification of tumor-associated carbohydrate antigens (TACAs) on the surface of cancer cells has allowed the development of antigen-specific vaccines. It has been known for over four decades that the majority of human cancers are characterized by aberrant glycosylation. Tumor cells may over-express truncated versions of oligosaccharides, unusual terminal oligosaccharide sequences, or increase sialylation of cell-surface glycolipids and O- and N-linked glycoproteins. A truncated oligosaccharide of a glycoprotein may render a part of the peptide backbone, which is normally shielded by the glycan, more accessible to the immune system. Among the assortment of TACAs we focussed our attention on Tn and TF-antigens, which can be found in membrane-bound glycoproteins like MUC-1, over-expressed in more than 90% of breast carcinomas. Although the design of such immuno-modulators still relies on empiric rules, it is noteworthy important to trigger both humoral and cellular responses, and a memory effect. This challenge can be achieved by combining, within a single molecule, carbohydrate antigen expressed on the surface of tumors (B-cell epitope), peptides capable to stimulate both CD4+ and CD8+ T-cells (T-cell epitopes) and an adjuvant, to gather immune system elements in the injection site and boost the antigen uptake. Previous studies of our research group reported for the first time the synthesis and immunological evaluation of a four-component anticancer vaccine prototype capable of inducing a long-lasting immune response in mice models. In my PhD work we aimed to synthesize TACA-based anticancer vaccine prototypes with improved immunological properties. The principles which guided our design strategies rely on (i) the importance of a high density of carbohydrate epitopes to promote a more effective antigen capture and processing by antigen-presenting cells, and (ii) the evidence of heterogenic expression patterns of TACAs during the course of the disease and among different individuals. Addressing these two aspects would provide a stronger and multifaceted immune response.

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