Characterization of the anti-leukemic properties of anti-CD3 antibodies in T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL)
Identification des voies de signalisation essentielles aux propriétés anti-leucémiques des anticorps anti-CD3
Résumé
T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) is an aggressive hematological malignancy. Current treatments, based on intensive chemotherapy regimens provide overall survival rates of ~85% in children and <50% in adults, calling for the search for new therapeutic options. Our team previously showed that T cell receptor (TCR) triggering/activation is strongly anti-leukemic in mouse T-ALL models and that targeting the TCR of diagnostic T-ALL-derived PDX with anti-hCD3 (aCD3) monoclonal antibody (mAb) OKT3 or the clinically relevant Teplizumab and Foralumab induced leukemic cell death, leukemia regression and improved host survival. Although the use of aCD3 mAbs opens a new immune-therapeutic option in T-ALL, in particular when associated with chemotherapy, aCD3 monotherapy results in a relapse in T-ALL PDX. Thus, identification of the molecular mechanisms underlying the anti-leukemic properties of the aCD3 mAbs may lead to the discovery of new T-ALL vulnerabilities to improve the aCD3 therapeutic effects. We identified the transcriptomic signature induced by OKT3 and Teplizumab and showed that 932 genes are commonly deregulated. GSEA and KEGG/GO analyses found the "TNFa signaling via NF-kB" pathway as the top deregulated pathway which comprises genes encoding ligands (TNFa, LTa), receptors (TNFR2), adaptors (IAP2, TRAFs) of this signaling pathway. Induction of these genes was confirmed and generalized at the RNA and protein level to independent T-ALL PDXs. We further demonstrate that while TNF signaling promotes leukemic cell survival, it can be re-routed toward death upon cIAP1/2 degradation, thus enhancing anti-CD3 anti-leukemic properties. Indeed, the use of Etanercept, a sink for TNFa/LTa, was found to enhance aCD3-antileukemic effects, indicating that TNF/TNFR survival pathways counteract TCR-induced leukemic cell death. In contrast, the use of Birinapant, a SMAC mimetic that ultimately results in cIAP1/2 degradation, acts synergistically with aCD3 to induce leukemic cell apoptosis, impair leukemia expansion, and improve mice survival. We also demonstrate aCD3/Birinapant synergism to rely on RIPK1 activity. Indeed, we found that RIPK1 phosphorylation is specifically induced upon combinatorial treatment while inhibition of RIPK1(i) in vitro using shRNA or (ii) in vivo using a pharmacological inhibitor revert aCD3/Birinapant cooperation. Thus, our results advocate the use of Birinapant or other SMAC mimetics to improve aCD3 immunotherapy in T-ALL. In parallel, we also investigated the role of other candidates that were found deregulated in response to aCD3, including i) PCD1 encoding for the physiological inhibitor of TCR-signaling PD-1 and ii) TNFRSF4, TNFRSF9 encoding for the TCR co-receptors 4-1BB and OX40. Similarly, validation of their induction was confirmed and generalized at both RNA and protein levels in independent T-ALL PDXs. We further demonstrated that PD-1 shRNA-mediated downregulation in T-ALL cell lines enhanced aCD3-mediated leukemic cell death. Moreover, the use of the therapeutic aPD1 mAb Pembrolizumab, in combination with aCD3, demonstrated a synergistic anti-leukemic effect as measured by leukemia load in blood overtime leading to further prolonged mice survival compared to T-ALL PDX treated with aCD3 alone. RNA-seq analysis shows a general enhancement of aCD3 transcriptomic signature upon Pembrolizumab treatment, in agreement with the known role of PD1 as a negative regulator of TCR. As using the agonistic mAb Urelumab that targets 4-1BB, a TCR co-activator, also results in improved aCD3 anti-leukemic effects, we suggest that tools re-enforcing TCR activation will improve the aCD3 anti-leukemic properties. While our previous studies identified aCD3 mAbs as a potential new immunotherapy for T-ALL, this work reveals that the signature evoked by these mAbs in T-ALL cells can unravel molecular pathways that can be targeted to further improve the efficacy of aCD3-based immunotherapy.
La leucémie lymphoblastique aiguë à cellules T (LAL-T) est une pathologie hématologique agressive. Les traitements actuels, basés sur des schémas de chimiothérapie intensive, offrent des taux de survie globale ~ 85% chez les enfants et < 50% chez les adultes, ce qui appelle à la recherche de nouvelles options thérapeutiques. Notre équipe a montré que l'activation du récepteur des cellules T (TCR) est fortement anti-leucémique dans des modèles murins de LAL-T. Par ailleurs, les anticorps anti-hCD3 (aCD3) OKT3 ou Teplizumab et Foralumab, cliniquement pertinents, induisent la mort des cellules leucémiques, la régression de la leucémie et une amélioration de la survie des souris leucémiques dans les modèles de PDXs (Patients Derived Xenografts) de LAL-T. Bien que l'utilisation des anticorps aCD3 ouvre une nouvelle option immunothérapeutique pour traiter les LAL-T, en particulier lorsqu'elle est associée à la chimiothérapie, la monothérapie aCD3 conduit à une rechute chez les souris greffées avec les PDXs. Afin de rechercher les mécanismes moléculaires qui président aux propriétés anti-leucémiques des aCD3, nous avons identifié la signature transcriptomique induite par ces anticorps. L'analyse GSEA et KEGG/GO de cette signature a permis d'identifier la voie de signalisation "TNFa via NF-kB" comme la plus dérégulée et qui comprend les gènes codant pour les ligands (TNFa, LTa), les récepteurs (TNFR2), et les adaptateurs (IAP2, TRAFs) de cette voie. L'induction de ces gènes a été confirmée et généralisée à des PDX de LAL-T indépendantes. Fonctionnellement, grâce à l'utilisation d'Etanercept qui neutralise TNFa/LTa, nous avons montré que la voie TNFa favorise la survie des cellules leucémiques. Cependant, l'utilisation de Birinapant qui induit la dégradation de cIAP1/2 permet de rediriger la signalisation TNF d'un programme de survie pour induire un programme de mort des cellules leucémiques et par conséquent prolonger la survie des souris leucémiques. Nous avons montré que cette synergie dépend de l'activité de RIPK1. En effet, nous avons constaté que la phosphorylation de RIPK1 est spécifiquement induite lors d'un traitement combiné aCD3/Birinapant. De plus, l'inhibition de RIPK1 in vitro en utilisant un shRNA, ou in vivo en utilisant un inhibiteur pharmacologique, réverte la coopération entre aCD3 et Birinapant. Ainsi, nos résultats plaident en faveur de l'utilisation du Birinapant ou d'autres SMAC mimétiques pour améliorer les propriétés thérapeutiques des aCD3. Nous avons également étudié le rôle d'autres candidats qui ont été trouvés dérégulés en réponse à l'aCD3, notamment: i) PCD1 codant l'inhibiteur physiologique de la signalisation du TCR, PD-1 et ii) TNFRSF4, TNFRSF9 codant les corécepteurs du TCR, 4-1BB et OX40. Nous avons validé et généralisé à d'autres PDX, l'induction de ces gènes en réponse à OKT3. Fonctionnellement, nous avons démontré que l'inactivation de PD1, soit par shRNA, soit grace à l'utilisation d'un anticorps antagonistique, le Pembrolizumab, renforce les propriétés thérapeutiques des aCD3. L'analyse par RNA-seq du transcriptome des cellules co-traitées par OKT3 et Pembrolizumab montre une augmentation générale de l'ensemble des gènes induits par OKT3, plutôt que la détection d'une nouvelle signature spécifique de cette combinaison. Ces résultats étant en accord avec le rôle inhibiteur PD1 sur le TCR. Nous avons aussi montré que l'anticorps agoniste de 4-1BB, Urelumab, induit également une amélioration des effets anti-leucémiques d'OKT3. L'ensemble de ces résultats suggère que l'utilisation d'outils renforçant l'activation du TCR améliorera les propriétés anti-leucémiques des aCD3. Alors que nos études précédentes ont identifié les anticorps aCD3 comme une nouvelle immunothérapie potentielle pour la LAL-T, ce travail montre que l'analyse de la signature induite par ces anticorps dans la LAL-T a révélé des voies moléculaires qui peuvent être ciblées pour améliorer l'efficacité thérapeutique des aCD3.
Domaines
CancerOrigine | Version validée par le jury (STAR) |
---|