Les chimiokines à l’interface de l’immunologie et de la cancérologie ASA 1 Les chimiokines à l’interface de l’immunologie et de la cancérologie

Plan de l’exposé I. Propriétés générales des chimiokines ASA 2 Plan de l’exposé I. Propriétés générales des chimiokines II. Mécanismes impliqués III. Etude pré-clinique d’immunothérapie génique IV. Les questions possibles posées à l’examen

Propriétés générales des chimiokines ASA 3 I partie Propriétés générales des chimiokines

une nouvelle famille de cytokines chimiotactiques ASA 4 3 LES CHIMIOKINES une nouvelle famille de cytokines chimiotactiques  Protéines sécrétées de faible poids moléculaire (7 à 14 kDa).  Plus de 50 molécules identifiées.  Fonction initialement décrite : attraction des leucocytes.  Structure tridimensionnelle: -trois feuillets plissés b -partie C terminale en hélice a  Présence dans la séquence de 4 Cystéines à des positions très conservées.

LES SOUS FAMILLES DE CHIMIOKINES ASA 5 4 LES SOUS FAMILLES DE CHIMIOKINES Famille Structure Chromosome C1XC2 CXC chimiokine C3 C4 Hélice a 1 4 q 1 2 - 2 1 feuillets b1 b2 b3 C1C2 CC chimiokine C3 C4 1 7 q 1 1 . 2 - 1 2 b1 b3 b2 C2 C chimiokine C3 C4 1 q 2 3 b1 b2 b3 C1XXXC2 CX3C chimiokine C3 C4 1 6 b1 b2 b3

ASA 6 LES CHIMIOKINES  Première classification basée sur des critères structuraux Présence de ponts disulfures  forme globulaire des chimiokines CXC chimiokine CC chimiokine C X * 1 2 4 3 XC chimiokine 3 CX3C chimiokine (domaine chimiokine) C Cystéine X Acide aminé quelconque * extrémité N terminale

classification et nomenclature ASA 7 LES CHIMIOKINES classification et nomenclature  Première classification basée sur des critères structuraux CXCL1 à CXCL17 (ELR+, ELR-) CCL1 à CCL28 XCL1, XCL2 CX3CL1  CXC : 17 membres CC : 28 membres  XC : 2 membres CX3C : 1 membre numéro correspondant à l’ordre de dépôt de séquence dans la base de données cytokines cDNA database : http://cytokine.medic.kumamotu.ac.jp/CFC/CK/chemokine.html

classification et nomenclature ASA 8 LES CHIMIOKINES classification et nomenclature  Classification basée sur des critères fonctionnels  chimiokines homéostatiques ou constitutives  chimiokines inflammatoires ou inductibles produites et sécrétées en faible quantité par les organes dans les conditions physiologiques normales produites massivement uniquement dans un contexte inflammatoire, infectieux ou tumoral par le tissu lui même ou par les leucocytes infiltrant les tissus

Les chimiokines et leurs récepteurs ASA 9 Les chimiokines et leurs récepteurs  une cinquantaine de chimiokines :4 sous-familles CCL(1 à 28) CXCL(1 à 17) XCL1,2 CX3CL1 C C C X  une vingtaine de récepteurs : 4 sous-familles membrane int ext CXCR (1 à 7) CCR(1 à 10) XCR(1,2) CX3CR   

Les chimiokines et leurs récepteurs ASA 10 Les chimiokines et leurs récepteurs CCR6 CCR9 CCR11 CCR4 CCR5 CCR7 CCR8 CCR10 CCR3 CCR2(A,B) CCR1 une cinquantaine de chimiokines … une vingtaine de récepteurs … relation chimiokine-récepteur de type polygamique CXCR5 CXCR6 CXCR2 CXCR1 CXCR4 CXCR7 CXCR3 20 récepteurs CX3CR1 XCR1(A,B) 3 récepteurs silencieux ou leurres D6 DARC CCXCKR D’après Balkwill, Nat Rev Cancer (2004), 4, 540-550

Les chimiokines et leurs récepteurs ASA 11 Les chimiokines et leurs récepteurs CCL1, CCL3L1 CCL4L1 XCL1,2 CXCL1,6,7,8 CXCL1,2,3,5,6,7,8 CCL3,5,6,7,8,11,13,15,24,26,27,28 CCL17,22 CCL3,4,5,8,14,CCl3L1,CCL4L1 CCL19,21 CCL27,28 CCL19,21,25 CXCL9,10,11 CCL,5,6,7,9,10,13,14,15,1,23, CCL3L1 CCL2,3,6,7,8,12,13,16,27 CXCL11,12 CCR4 CCR3 CCR5 CCR2 CCR7 CCR1 CCR8 CXCR7 CCR10 récepteurs partagés CXCR3 CCR11 CXCR2 XCR1 CXCR1 récepteurs non partagés CCL20 CCL25 CX3CL1 CXCL12 CXCL16 CXCL13 CCR6 récepteurs silencieux CCL2,3,5,7 CCL17,22 CCL2,5 CXCL1,8 CCL19,21,25 CXCL13 DARC CCR9 D6 CX3CR1 CXCR4 CCXCKR CXCR5 CXCR6 D’après Balkwill, Nat Rev Cancer (2004), 4, 540-550

Les récepteurs des chimiokines ASA 12 12 Les récepteurs des chimiokines  Récepteurs à 7 domaines transmembranaires couplés aux protéines G trimériques  Récepteurs formés d ’une chaîne polypeptidique de 350 à 360 acides aminés  Extrémité N terminale extracellulaire et extrémité C terminale intracellulaire NH2 Ext membrane Int interaction G trimériques COOH

Modèle d’interaction chimiokines/récepteurs 14 ASA 13 Modèle d’interaction chimiokines/récepteurs D’après O’Hayre M et al, Biochem. J. (2008) 409, 635-649

D’après O’Hayre M et al, Biochem. J. (2008) 409, 635-649 ASA 14 Cascades de signalisation induites par les interactions chimiokines/récepteurs , Apoptosis D’après O’Hayre M et al, Biochem. J. (2008) 409, 635-649

Les chimiokines et leurs récepteurs … ASA 15 Les chimiokines et leurs récepteurs … fonctions  Chémoattraction: recrutement cellulaire leucocytes: réponse immunitaire Chimiokines constitutives et inductibles cellules tumorales: domiciliation métastatique Chimiokines constitutives  Prolifération/Survie/Apoptose Chimiokines constitutives et inductibles

Les CXC chimiokines et leurs cibles cellulaires ASA 16 Les CXC chimiokines et leurs cibles cellulaires Famille Chimiokines IL-8 (CXCL8) GRO- (CXCL1) GRO- (CXCL2) GRO- (CXCL3) ENA-78 (CXCL5) GCP-2 (CXCL6) NAP-2 (CXCL7) PF4 (CXCL4) IP-10 (CXCL10) MIG (CXCL9) SDF-1 (CXCL12) BCA-1(CXCL13) ITAC (CXCL11) Cellules cibles N, T, Ba, CE, NK, K, Me N, Me, CE, T, Ba N, Ba, CE, T N, CE N, Ba, F, CE T, F, CE T, NK, M, CE T, EC L, CD34+, N, , M T, souches B, T N, T, Ba, CE, NK, K, Me N, Me, CE, T, Ba N, Ba, CE, T N, CE N, Ba, F, CE T, F, CE T, NK, M, CE T, EC L, CD34+, N, M T, souches B, T ERL+ ERL- Motif ERL = glutamate-leucine-arginine C X C chimiokines constitutives M = Monocyte CE = Cellule Endothéliale N = Neutrophile F = Fibroblaste L = Lymphocyte Ba = Basophile T = Lymphocyte T K = Kératinocyte B = Lymphocyte B Me = Mélanocyte NK = Natural killer

CXC ELR + : chimiokines angiogéniques ASA 17 7 LES CXC CHIMIOKINES CXC ELR + : chimiokines angiogéniques CXCL8: IL-8 (Interleukin-8) CXCL5 : ENA-78 (Epithelial cell-derived neutrophil-activating factor-78) CXCL1: GRO- (Growth Related Oncogene-a) CXCL2: GRO- (Growth Related Oncogene-b) CXCL3: GRO- (Growth Related Oncogene-g) CXCL6: GCP-2 (Granulocyte chemotactic protein-2) CXCL3: PBP (Platelet basic protein) CXCL3: CTAP-III (Connective tissue activating protein-III)  CXCL13: -TG (b-thromboglobulin) CXCL7: NAP-2 (Neutrophil-activating peptide-2) CXC ELR - : chimiokines angiostatiques CXCL4: PF4 (Platelet factor 4) CXCL10: IP-10 (Interferon-g-inducible protein) CXCL9: MIG (Monokine induced by interferon-g) CXCL12: SDF-1 (Stromal cell-derived factor-1)

Les CC chimiokines et leurs cibles cellulaires ASA 18 Les CC chimiokines et leurs cibles cellulaires Chimiokines MCP-1 : CCL2 MCP-2 : CCL7 MCP-3 (CCL8) MCP-4 (CCL13) MCP-5 (CCL2) MIP-1 (CCL3) MIP-1 (CCL4) RANTES (CCL5) Eotaxin (CCL11) I-309 (CCL1) HCC-1 (CCL14) MIP-3 (CCL20) MIP-3 (CCL19) TARC (CCL17) TECK (CCL25) 6CKine/SLC (CCL21) MDC (CCL22) DC-CK1/PARC (CCL18) Cellules cibles M, Ba, Tm, NK, CD, CMS M, Ba, E, Tm-n, NK, CD M, Ba, E, Tm, NK, CD M, E, T, Ba M, E, T M, Ba, N, T, souches, NK, CD, B M, T, souches, NK, CD M, Tm, E, Ba, CD, NK E T, M M, souches L L,M M, T Ma, CD, thymocytes T, souches CD, NK, T CD M, Ba, Tm, NK, CD, CMS M, Ba, E, Tm-n, NK, CD M, Ba, E, Tm, NK, CD M, E, T, Ba M, E, T M, Ba, N, T, souches, NK, CD, B M, T, souches, NK, CD M, Tm, E, Ba, CD, NK E T, M, M, souches L L, M, M, T M, CD, thymocytes T, souches CD, NK, T CD M = Monocyte B = Lymphocyte B CD = Cellule dendritique MA=Macrophage Ba = Basophile NK = Natural killer Tm = T mémoire CMS = Cellule de Muscle Squelettique L = Lymphocytes Tn = T naïf E = Eosinophile chimiokines constitutives

Thymocyte, Lymphocyte T, NK, Cellule dendritique ASA 19 Les familles C et CX3C chimiokines Famille XC CX3C Chimiokine Lymphotactine  XCL1, XCL2 Fractalkine CX3CL1 Cellules cibles Thymocyte, Lymphocyte T, NK, Cellule dendritique T (CD4 TH1 et CD8), NK, Cellule dendritique, Monocyte

Chimiokines non conventionnelles: CX3CL1 et CXCL16 ASA 20 Chimiokines non conventionnelles: CX3CL1 et CXCL16  Chimiokines conventionnelles = protéines sécrétées de faible poids moléculaire (7 à 14 kDa)  Chimiokines non conventionnelles = protéines de haut poids moléculaire (92-95 kDa), une forme membranaire et une forme soluble (90-92 kDa) domaine intracellulaire domaine mucine transmembranaire C X zone de clivage CX3CL1 CXCL16 chimiokine : 10-12 kDa

ASA 21 IIe Partie Mécanismes impliqués dans le contrôle du développement des tumeurs par les couples chimiokines/récepteurs

ASA 22 IIe Partie 1: contrôle de la domiciliation des métastases par les couples chimiokines /récepteurs

Effets protumoraux des couples chimiokines/récepteurs ASA 23 Effets protumoraux des couples chimiokines/récepteurs  Domiciliation des métastases vaisseau sanguin organes secondaires tumeur primaire chimiokines récepteurs domiciliation expansion récepteurs de chimiokines surexprimés chimiokines constitutives  Les couples impliqués dépendent de la tumeur d’origine et de l’organe cible où vont se nicher les métastases  Croissance tumorale : contrôle prolifération/survie et apoptose des cellules tumorales

Les couples chimiokines/récepteurs dans la ASA 24 Les couples chimiokines/récepteurs dans la domiciliation des métastases cellules tumorales surexprimant des récepteurs de chimiokines chimiokines sécrétées constitutivement par les tissus Adénocarcinomes mammaires Mélanomes Ostéosarcomes Adénocarcinomes prostatiques Rhabdomyosarcomes Adénocarcinomes coliques CXCR4 CXCR3, CXCR7 CXCR3,CXCR7 poumons moelle osseuse ganglions lymphatiques foie CXCL12 CXCL9 à 11 CXCL19 à 11 CXCL19 à11

Conclusion - Bloqueurs pharmacologiques des récepteurs ASA 25 Conclusion Les chimiokines et leurs récepteurs spécifiques représentent de nouvelles cibles thérapeutiques: - Bloqueurs pharmacologiques des récepteurs essai de phase II sur métastases pulmonaires des cancers mammaires avec des bloqueurs de CXCR4 - Anticorps bloquants anti-chimiokines et anti-récepteurs - Récepteurs solubles

ASA 26 II Partie B: contrôle de l’immunité antitumorale par les couples chimiokines/récepteurs

L’immunité anti-tumorale : ASA 27 L’immunité anti-tumorale : concept de l’immuno surveillance (Burnet and Thomas, 1970)  Les cellules effectrices du système immunitaire inné et adaptatif peuvent reconnaître et détruire des cellules néotransformées Système immunitaire inné Système immunitaire adaptatif Natural Killer cells (NK) T CD4+ and T CD8+ cells Natural Killer T cells (NKT) Macrophages (M) Dendritic cells (CD)

ASA 28 24 Les chimiokines sont les médiateurs essentiels du recrutement des leucocytes dans les tumeurs Neutrophiles Lymphocytes B Cellules tumorales Chimiokines Cellules dendritiques Natural Killer Lymphocytes T Monocytes Macrophages infiltration leucocytaire chimiokines réponse anti-tumorale effet pro-tumoral

Les macrophages dans les tumeurs ASA 29 Les macrophages dans les tumeurs  TAMs : Tumor Associated Macrophages  Jusqu’à 5O% de l’infiltrat leucocytaire  Rôles différents au cours du développement tumoral M1 M2  TAMs de type M2 dans les tumeurs

Les chimiokines et les TAMs ASA 30 25 Les chimiokines et les TAMs  Principale chimiokine impliquée : CCL2  CCL2 exprimée par cellules tumorales et stromales des cancers du colon, poumon, sein, os, col de l’utérus, ovaire, vessie, gliomes …  Relation complexe entre CCL2/TAMs et pronostic, dépend du cancer considéré et de son environnement Niveau d’expression de CCL2 détermine le type de TAMs recrutés dans certains cancers  Implication de CCL5 (recrutement de TAMs de type M2)

Activation des sous populations de lymphocytes T ASA 31 Activation des sous populations de lymphocytes T Pour rappel  Deux sous-populations de T  T CD4 ou Helper  T CD8 ou Cytotoxique

Elimination de l’antigène ASA 32 Les lymphocytes T helper Présentation Régulation Elimination de l’antigène Th1 Th1 Pathogènes intracellulaires, immunité anti-tumorale Pathogènes intracellulaires, immunité anti-tumorale IL-2, IFN-γ IL-5, IL-13, Pathogènes extracellulaires (allergène, parasite) IL-4 Th2 IL-1, IL-6, TNFα Pathogènes extracellulaires, champignons, maladies auto-immunes Th17 IL-10, TGFβ Treg Inhibition des réponses immunes Tolérance Inhibition des réponses immunes Tolérance Treg Les chimiokines induisant le recrutement de CD8 et/ou de CD4 Th1 vont favoriser une réponse immune anti tumorale

ASA 33 28 Chimiokines responsables du recrutement des lymphocytes T et des NK dans les tumeurs Présence de lymphocytes T et cellules NK = facteur de bon pronostic  Carcinomes du nasopharinx et de l’ovaire : CCL5 et CCL3 (via CCR5) responsables recrutement des CD4 Th1  Carcinome mammaire : CCL19 (via CCR6) responsable du recrutement des CD4 et CD8 mémoires  Carcinome colique : CX3CL1 (via CX3CR) responsable du recrutement des CD4 Th1, CD8 et NK  Carcinome du pancréas : CXCL16 (via CXCR6) responsable du recrutement des CD4 Th1, CD8 et NK

Les cellules dendritiques dans les tumeurs ASA 34 Les cellules dendritiques dans les tumeurs  CDs : cellules présentatrices d’antigènes professionnelles stade immature et stade mature  Recrutement des CDs immatures dans les tumeurs par des chimiokines inflammatoires produites par les tumeurs  Acheminement des DCs matures de la tumeur vers les ganglions par des chimiokines constitutives produites par les ganglions  Présentation des antigènes tumoraux par les CDs matures aux lymphocytes T naïfs dans les ganglions initiation réponse immunitaire spécifique

Les chimiokines et les cellules dendritiques ASA 35 Les chimiokines et les cellules dendritiques  Présence de CDs dans les cancers de: estomac, nasopharinx, poumon, rein, tyroïde, sein, prostate  CCL20 pourrait être responsable du recrutement intratumoral des DCs immatures et CCL5 (CCR7) interviendrait dans l’acheminement des DCs matures depuis la tumeur vers les ganglions  Corrélation complexe entre chimiokines/CDs et pronostic  Rôle des DCs dans les tumeurs dépend :  phénotype des CDs (mature/immature)  localisation des CDs (intra/péri-tumorale)  type de tumeur

Recrutement des cellules immunitaires ASA 36 Recrutement des cellules immunitaires et réponse antitumorale CDs Effet pro-tumoral TAMs Effet anti-tumoral T et NK CDs + - Croissance des tumeurs

Etude pré-clinique d’immunothérapie génique ASA 37 III Partie Etude pré-clinique d’immunothérapie génique des métastases des cancers colorectaux chimiokines aptes à recruter des leucocytes dans les tumeurs Fractalkine (FKN) CX3CL1 réponse immune anti-tumorale de l’hôte Thèse de Sciences Dr Babou Karimdjee

Le cancer colorectal  Tumeur maligne parmi les plus fréquentes ASA 38 Le cancer colorectal  Tumeur maligne parmi les plus fréquentes  36 000 nouveaux cas et 16 000 décès par an  Gravité de la maladie liée à l’apparition des métastases  Sites préférentiels des métastases - foie (50%) - poumons (15%)  Taux survie à 5 ans - moins de 10% sans chirurgie - 20 à 30% après chirurgie utiliser les chimiokines dans de nouvelles stratégies thérapeutiques des métastases

ASA 39 La fractalkine ou CX3CL1: une chimiokine non conventionnelle candidate pour l’immunothérapie  Fonctions - FKN-m : adhésion des leucocytes FKN-m membrane  Structure Fractalkine,CX3CL1, FKN - FKN-s : recrutement cellulaire FKN-s Clivage   cellules NK  lymphocytes CD4 TH1 et CD8  cellules dendritiques  monocytes Hypothèse: le traitement des tumeurs par la fractalkine pourrait stimuler une réponse immune antitumorale et conduire à une régression des tumeurs

Modèles métastatiques et protocole de traitement ASA 40 Modèles métastatiques et protocole de traitement  Modèles expérimentaux de métastases utilisés cellules tumorales coliques (lignée C26) poumons poly-métastatiques 2 à 3 sem injection veine de la queue  pulmonaires  hépatiques cellules C26 foie poly-métastatique 2 à 3 sem injection veine porte J:0 injection cellules C26 dans veine porte J21 J5 J13 traitement FKN (utilisation de vecteurs chimiques) Balb/c euthanasie des souris  Traitement délivré sous forme de gène (thérapie génique)

ASA 41 Effet du délivrage du gène FKN sur le développement des métastases pulmonaires Réduction significative de la progression des métastases au niveau des poumons suite au traitement par la FKN 57% control control vector Vector +FKN

ASA 42 Effet du délivrage du gène FKN sur le développement des métastases hépatiques 6 Réduction significative de la progression des métastases au niveau du foie suite au traitement par la FKN ns p<0.05 5 4 Tumor development n liver (g) 3 69% 2 1 control control vector Vector +FKN

Phénotype des leucocytes infiltrants ASA 43 Phénotype des leucocytes infiltrants  modèle de métastases hépatiques *** *** 6 *** Souris traitées par le vecteur vide cellules infiltrant les tumeurs (%/total) 4 Souris traitées par le vecteur+FNK 2 T CD4+ T CD8+ NK Augmentation du recrutement des CD4, CD8 et NK dans les tumeurs traitées par la FKN

Phénotype des leucocytes impliqués dans l’effet ASA 44 Phénotype des leucocytes impliqués dans l’effet anti-tumoral de la FKN  Modèle de métastases hépatiques  Utilisation d’anticorps ‘déplétants’ Souris traitées FKN 1600 p<0,05 Contribution T CD8 < T CD4 NK non impliquées 1200 1146 mm3 Volume médian tumoral (mm3) p<0,05 800 ns 400 282 mm3 118.8 mm3 18.8 mm3 déplétées NK souris : contrôles déplétées CD8 déplétées CD4 Les effets anti-tumoraux de la FKN observés au niveau des métastases résultent du recrutement des cellules CD4 et CD8

Chimiokines et Immunothérapie ASA 45 Chimiokines et Immunothérapie En conclusion  À l’heure actuelle pas d’essais cliniques avec les chimiokines  En pré-clinique, effets prometteurs mais dépendants de la nature des tumeurs et des sites considérés, notamment pour les métastases  L’immunothérapie par les chimiokines est une piste potentielle comme nouvelle stratégie anti-cancéreuse notamment en association avec d’autres thérapies

Les questions potentiellement intéressantes ASA 46 Les questions potentiellement intéressantes 1- Quels sont les critères structuraux qui ont servi de base à la première classification des chimiokines 2- Donner la définition d’une chimiokine constitutive et d’une chimiokine inductible 3- Quelle est la différence essentielle entre les récepteurs (CCR, CXCR, XCR et CX3CR) et les récepteurs leurres 4- A quoi correspond un motif ERL et dans quelle famille de chimiokines le retrouve-t-on 5- Vis à vis de l’angiogenèse, quelle est la propriété que confère le motif ERL aux chimiokines 6- Citez une chimiokine non conventionnelle, décrivez les différents domaines présents dans cette molécule

Les questions potentiellement intéressantes…..suite ASA 47 Les questions potentiellement intéressantes…..suite 7- Décrivez brièvement comment les couples chimiokines/récepteurs contrôlent le processus métastatiques. Utilisez dans la réponse les termes suivants : récepteurs surexprimés, chimiokines constitutives, tumeur primaire, organes secondaires, métastases, nature et nombre, couples chimiokines/récepteurs 8- Quels sont les différents types de leucocytes qui sont attirés par la chimiokine CX3CL1 (fractalkine) 9- Quelle est la chimiokine qui a été utilisée dans un essai pré-clinique d’immunothérapie génique des métastases des cancers du colon 10- Comment est délivrée cette chimiokine au niveau des métastases 11- Quel est le mécanisme impliqué dans l’effet anti-tumoral de la chimiokine utilisée dans cet essai pré-clinique