Translating IL-2/anti-IL-2 antibody complexes treatment for human tumor immunotherapy

par Pamela Caudana

Thèse de doctorat en Immunologie

Sous la direction de Eliane Piaggio.

Soutenue le 06-12-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Eric Tartour.

Le jury était composé de Eliane Piaggio, Eric Tartour, Benoît Salomon, Sergio Quezada, José Cohen.

Les rapporteurs étaient Benoît Salomon, Sergio Quezada.

  • Titre traduit

    Immunothérapie à base de complexes d'anticorps IL-2/anti-IL-2 pour le traitement des tumeurs humaines


  • Résumé

    L'IL-2 à forte dose a été la première immunothérapie administrée pour le traitement de cancers humains, atteignant dans les mélanomes métastatiques des réponses objectives similaires à celles obtenues avec les traitements avec des Ac bloquants les points de contrôle immunitaires (checkpoint) (autour de 15% de répondeurs). Toutefois, sa toxicité est importante et son mécanisme d'action chez les patients répondant reste mal connu. Sa faible efficacité est due en partie à l'action de l'IL-2 sur les cellules T regulatrices (Tregs). Par conséquent, différentes approches ont été envisagées pour amener à nouveau l'IL-2 en clinique. L'une de ces stratégies est basée sur les complexes IL-2/Ac anti-IL-2 (IL-2Cx). Selon la spécificité de l'anticorps utilisé, ce complexe permet de diriger l'action de l'IL-2 sur les Tregs ou les CD8+/NK. Les IL-2Cx stimulant les Tregs ont déjà été utilisé avec succès dans des modèles précliniques de maladies autoimmunes telles que le diabète, l'EAE, etc. D'un autre côté, les IL-2Cx stimulant les cellules immunes effectrices ont montré leur efficacité dans des modèles précliniques de mélanomes, leucémies et carcinomes du rein. Jusqu'à maintenant, les résultats précliniques publiés ont été obtenus avec des IL-2Cx utilisant des Ac commerciaux anti-IL-2 murine ou anti-IL-2 humaine (hIL-2), mais il n'existe pas d'IL-2Cx formés avec des Ac anti-hIL-2 de grade clinique. Dans ce contexte, mon travail de thèse avait pour objectif : i) de générer des Ac humains anti-hIL-2 qui sous forme de complexes seraient capables d'activer préférentiellement les cellules NK et les effecteurs T CD8+, pour le traitement du cancer ; et ii) l'évaluation préclinique de traitements combinés avec les IL-2Cx et les traitements bloquant les checkpoints pour la thérapie anti-cancer. Pour générer les Ac humains anti-hIL-2, nous avons utilisé 2 stratégies : i) phage display contre l'hIL-2 basée sur une librairie pre-immune d'Ac de lama; et ii) l'isolation d'auto-anticorps anti-hIL-2 produits par les cellules B de patients atteints de diabète de type 1, décrit auparavant dans notre équipe. A l'aide de ces 2 approches techniques, nous avons généré avec succès un grand nombre d'Ac anti-hIL-2, mais nous avons rencontré de difficultés pour isoler les Ac qui auraient l'activité souhaitée sous forme d'IL-2Cx. Pour résoudre cette difficulté technique, en collaboration avec une équipe de l'Institut Pasteur de Paris, nous avons produit de nouvelles variantes de l'hIL-2 pour simplifier la sélection des Ac anti-hIL-2. En parallèle, nous avons évalué l'efficacité antitumorale des IL-2Cx combinés au blocage des checkpoint CTLA4 ou PD1. Dans un modèle de carcinome du poumon spontané inductible, nous avons montré que la combinaison IL-2Cx/anti-PD1 contrôle de façon durable l'évolution de la tumeur et induit des réponses T spécifiques de la tumeur. Par ailleurs, dans le modèle syngénique de la tumeur B16-OVA, naturellement résistante au blocage des checkpoints, la combinaison des IL-2Cx avec le blocage de la voie CTLA4 ou PD1 permet de contrôler la résistance. Concernant les mécanismes d'action de ces traitements, les 2 combinaisons induisent la « re-activation » des cellules T CD8+ intratumorales et augmentent l'amplitude de la réponse T spécifique de la tumeur. Toutefois, seule la combinaison IL-2Cx/anti-CTLA4 diminue les Treg intratumoraux, conduisant à une augmentation du rapport NK/Treg. De plus, cette combinaison est strictement dépendante des cellules NK pour son effet thérapeutique in vivo, en plus de l'implication des cellules T CD8. Par conséquent, nos résultats suggèrent que les thérapies basées sur l'utilisation de l'hIL-2 devraient être à nouveau prise en considération. De plus, notre observation que les combinaisons des IL-2Cx avec le blocage de CTLA4 ou de PD1 passent par des mécanismes cellulaires distincts, ouvre la voie pour la conception rationnelle de thérapies combinatoires contre le cancer.


  • Résumé

    High-dose IL-2 was the first immunotherapy ever assessed for the treatment of human cancer, achieving similar objective responses in metastatic melanoma as with a-checkpoint mAbs treatment (15%). However, less than 10% of eligible patients receive this potentially curative treatment, likely due to its associated toxicity and need of hospitalization, as well as concern on the expansion of Treg cells. Consequently, different approaches have been applied to bring back IL-2 to the clinics, trying to bypass Treg activation and to improve IL-2 pharmacodynamics. One of these strategies is the use of IL-2/anti-IL-2 mAb complexes (IL-2Cx). In mouse studies it has been shown that when IL-2 is complexed with an anti-IL-2 antibody (Ab), IL-2 pharmacodynamics is improved, toxicity is lowered and depending on the Ab, the IL-2Cx can direct IL-2 action to effector or to regulatory immune cells. In the past years, Treg-stimulating IL-2Cx have been successfully used in preclinical models of autoimmune diseases like EAE, Arthritis, renal diseases and allergy. On the other hand, effector cell-stimulating IL-2Cx have shown to delay tumor growth in preclinical models of melanoma, leukemia and renal cell carcinoma. Heretofore, all published preclinical data have been obtained using IL-2Cx formed with commercial rat anti-mouse IL-2 or rat-anti human IL-2 Abs, but yet, there are no available IL-2Cx formed with clinical-grade anti-human (h) IL-2 mAbs. In this context, my thesis work was dedicated to: i) the generation of human anti-human IL-2 Abs that when complexed with hIL-2 preferentially activate NK and effector CD8+ T cell, for cancer treatment; and ii) the pre-clinical evaluation of the efficacy of combinatory treatments using IL-2Cx with immunecheckpoint (CKP) blockade for cancer therapy. To generate human anti- hIL-2 Abs we used two strategies: i) phage display against hIL-2 using a pre-immune lama library; and ii) isolation of anti-hIL-2 auto-antibodies from B cells obtained from Type 1 diabetic patients, previously described by our team. Using both techniques, we succeeded in generating large amounts of anti-hIL-2 Abs, but we encountered many difficulties to isolate those with the desired IL-2Cx activity. To solve this technical issue, in collaboration with a team at Institut Pasteur in Paris, we designed new hIL-2 variants allowing a simplified screening of the IL-2 Abs (currently under patenting process). In parallel, we evaluated the anti-tumoral efficacy of effector cell-stimulating IL-2Cx combined with blockade of CTLA-4 and PD1 pathway, with a translational perspective. First, in an inducible spontaneous lung adenocarcinoma model we showed that the IL-2Cx/anti-PD1 combo durably controlled tumor growth and induced tumor-specific T cell responses. In the B16-OVA syngeneic model, naturally resistant to anti-checkpoint inhibition, combination of IL-2Cx with PD1 or CTLA-4 pathway blockade reversed resistance. Mechanistically, both combos worked by re-invigorating intratumoral CD8+ T cells and increasing the breath of tumor-specific T cell responses. However, only the IL-2Cx/anti-CTLA-4 combo diminished intratumoral Treg cells, leading to an increase in the NK/Treg cell ratio and is non-redundantly dependent on NK cells. No treatment toxicity was observed when IL-2 was used in the form of IL-2Cx. Overall, our results suggest that IL-2-based therapies should be reconsidered for the treatment of cancer. Moreover, our observation that the combinations of IL-2Cx with PD1 or CTLA-4 pathway blockade act by different cellular mechanisms, paves the way for the rational design of combinatorial anti-tumoral therapies.

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