Aspects immunologiques des biothérapies

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1 Aspects immunologiques des biothérapies Olivier Boyer Olivier Adotévi, François Lemoine et Philippe Saas I-Introduction... 2 II-Biothérapies moléculaires et substitutives... 3 II-1.Sérothérapie... 3 II-2.Thérapeutiques substitutives... 3 II-3.Anticorps monoclonaux thérapeutiques et molécules apparentées... 3 II-4.Traitement par les cytokines... 3 III-1.Greffe de cellules hématopoïétiques... 4 V-II.Les réponses immunitaires souhaitées

2 I-Introduction Les biothérapies consistent à utiliser des molécules biologiques actives (protéines, ADN, ARN ) ou des cellules pour exercer un effet thérapeutique. On distingue trois types d indications : les biothérapies substitutives visant à remplacer un facteur, une molécule ou une cellule déficients, les biothérapies régénératrices ou réparatrices visant à réparer une fonction défaillante et l immunothérapie consistant à utiliser des éléments du système immunitaire pour exercer un effet thérapeutique. Les thérapeutiques moléculaires et/ou substitutives reposent sur l'administration de substances purifiées ou de molécules recombinantes produites par génie génétique. Elles ont connu un développement très important par la mise sur le marché de cytokines comme les interférons, de facteurs de croissance comme le G-CSF (Granulocyte colony Stimulating Factor), d anti-cytokines comme l IL-1Ra et d'anticorps monoclonaux comme le rituximab ou les anti-tnf. Ces molécules sont produites par l industrie pharmaceutique et constituent des médicaments disposant d'une autorisation de mise sur le marché (AMM). La thérapie cellulaire repose sur l'administration de cellules p rovenant du patient lui-même (thérapie autologue) ou d'un donneur (thérapie allogénique). Il s'agit le plus souvent d'administration de précurseurs ou de cellules souches qui se différencient in vivo pour régénérer un tissu ou restaurer une voie de différentiation cellulaire défaillante ou détruite par un traitement. La greffe de cellules souches hématopoïétiques est la thérapie cellulaire la plus développée à l'heure actuelle. Les produits de thérapie cellulaire sont développés pour un patient donné dans des unités de thérapie cellulaire et dépendent d une règlementation particulière. La thérapie génique consiste à administrer une séquence nucléotidique thérapeutique (généralement assimilée à un gène) qui code pour un produit conférant une propriété particulière aux cellules ou à leur descendance. Ce produit est le plus généralement une protéine dont le rôle sera de restaurer une fonction déficiente chez le receveur (introduction d'une forme fonctionnelle d'un gène muté ou non codant chez le patient) ou de conférer une nouvelle propriété à la cellule (production de cytokines, induction de la mort cellulaire de cellules tumorales, vaccination contre des antigènes viraux ou tumoraux). Hormis la thérapie cellulaire autologue, ces thérapeutiques ont un point commun, l'apport à l'organisme de constituants totalement ou partiellement absents chez le receveur. Elles interagissent donc avec le système immunitaire et pourront être reconnues comme étrangères à l'organisme par des anticorps et/ou des lymphocytes T cytotoxiques. En dehors de l'immunothérapie et de la vaccination où justement l'objectif est de provoquer une 2

3 réponse immunitaire, l'apparition de réponses immunitaires au cours des biothérapies est de nature à s'opposer à l'effet du traitement, voire à l'éliminer complètement de l'organisme. Plusieurs chapitres de cet ouvrage évoquent avec un éclairage un peu différent ces différentes thérapeutiques récentes. Ici, elles sont replacées dans un contexte plus global et en relation directe avec le système immunitaire. II-Biothérapies moléculaires et substitutives II-1.Sérothérapie L'objectif est de neutraliser rapidement un agent pathogène grâce à l'injection d'anticorps. Historiquement, elle représentait un traitement passif des maladies infectieuses. Aujourd'hui, elle conserve de rares indications comme la prévention d'une contamination accidentelle par le virus de l'hépatite B ou la prévention du tétanos lors d'une plaie à risque chez un sujet non vacciné. Elle expose au risque de maladie sérique liée à la formation de complexes immuns. II-2.Thérapeutiques substitutives L'objectif est la substitution d'une protéine génétiquement déficiente comme le facteur antihémophilique VIII ou IX. Ces thérapeutiques consistent à administrer de façon itérative et régulière le facteur manquant, généralement par voie intraveineuse. Elles exposent au risque de production d'anticorps (appelés inhibiteurs) anti-facteur VIII par exemple qui s'opposent durablement à l'efficacité du traitement. Il peut également s'agir d'administrer par voie intraveineuse des immunoglobulines G (IgIV) polyvalentes provenant d'un très grand nombre de donneurs après fractionnement, inactivation et filtration (cf chapitre ad hoc). Ces IVIg sont indiquées dans les déficits de l'immunité humorale et pour l'immunomodulation des maladies autoimmunes. Il existe un risque d'activation du complément par des agrégats lors de la première perfusion qui peut entraîner un choc. Il existe également un risque de choc en cas de déficit complet en IgA. II-3.Anticorps monoclonaux thérapeutiques et molécules apparentées Cette approche est largement développée par ailleurs dans cet ouvrage. D'une façon générale, l'introduction dans l'organisme d'anticorps chimériques (-ximab), humanisés (- zumab) ou humains (-mumab) peut entraîner la production d'anticorps anti-médicament (antidrug antibodies, ADA) de nature à neutraliser la substance administrée et à abolir ses effets thérapeutiques. Cependant, la très grande spécificité de ces biomédicaments, directement liée à celle des fragments Fab des anticorps, en fait des outils thérapeutiques de choix et en plein développement. II-4.Traitement par les cytokines Les cytokines recombinantes peuvent être utilisées dans différentes indications. L'interleukine-2 augmente l'immunité anti-tumorale par son action sur les lymphocytes T 3

4 activés mais présente une activité relativement modeste dans le cancer du rein ou le mélanome malin métastatique. Il existe un risque d'effet systémique dû à l'action cytokinique (fièvre, rash) pouvant aboutir à un syndrome de fuite capillaire. L'IL-2 a été proposée pour moduler les maladies autoimmunes (diabète de type 1, vascularites) ou la GvH chronique de par son action à faible dose sur la stimulation préférentielle des lymphocytes T régulateurs. D'autres cytokines comme les interférons alpha ou béta sont utilisées pour leur action antivirale au cours des hépatites B et C ou pour leur effet bénéfique dans la sclérose en plaque. III-Thérapie cellulaire Les thérapies cellulaires peuvent être indiquées chez un sujet dont le système immunitaire est intact ou bien chez un sujet initialement immuno-déprimé (déficits immunitaires congénitaux) ou recevant un conditionnement immuno-suppresseur plus ou moins myéloablatif, c est-à-dire affectant les cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse et pouvant entraîner une pancytopénie. Suivant l effet thérapeutique recherché, les biothérapies substitutives ou régénératrices hétérologues pourront être rejetées par le système immunitaire du patient. Les approches d immunothérapie exercent un effet immunologique propre, comme le rejet de la tumeur lors du transfert adoptif de lymphocytes T cytotoxiques. L allogreffe de cellules hématopoïétiques possède une place à part puisqu il s agit à la fois d une biothérapie régénératrice (reconstitution de l hématopoïèse et du système immunitaire) et d une immunothérapie (rejet des cellules leucémiques). III-1.Greffe de cellules hématopoïétiques Cette thématique est également abordée dans d autres chapitres de cet ouvrage. Il convient de distinguer l autogreffe et l allogreffe de cellules hématopoïétiques. L autogreffe est réalisée lors de l intensification thérapeutique dans le cadre de traitements anti-tumoraux. Il s agit de permettre la reconstitution des cellules sanguines à partir des cellules souches hématopoïétiques, après administration de médicaments anticancéreux à haute dose. Les cellules souches hématopoïétiques administrées se localisent de façon spontanée au niveau des sites de l hématopoïèse et régénèrent toutes les lignées sanguines (globules rouges, plaquettes, leucocytes) et donc les cellules immunitaires. Les greffons sont prélevés chez des patients en rémission de leur pathologie initiale, avec ou sans stimulation préalable de l hématopoïèse endogène par des facteurs de croissance. Il peut s agir de cellules médullaires ou de cellules sanguines périphériques. Leur richesse en progéniteurs hématopoïétiques exprimant la molécule CD34 est évaluée en laboratoire sur un échantillon 4

5 du greffon. Ce dernier est congelé pendant que le patient reçoit la thérapie myélotoxique visant à éradiquer les cellules tumorales résiduelles, puis décongelé et réinjecté. Le principe de l allogreffe de cellules hématopoïétique est différent. A l origine il s agissait de remplacer un tissu malade produisant des cellules leucémiques par un tissu sain provenant d un donneur. On s est très vite rendu compte que les cellules immunitaires du greffon étaient responsables d effets bénéfiques pour le patient en favorisant la prise de greffe et surtout en produisant un effet anti-leucémique. Cet effet anti-leucémique, appelé GvL (pour graft-versus-leukemia) justifie actuellement l indication de l allogreffe de cellules hématopoïétiques. A côté de ces effets bénéfiques, les lymphocytes T présent dans le greffon sont aussi responsables de la maladie du greffon contre l hôte (ou GvH, pour graftversus-host disease). L allogreffe de cellules hématopoïétiques est donc une situation particulière caractérisée par une alloréactivité bidirectionnelle détaillée dans les chapitres correspondants. Les donneurs peuvent être des membres de la famille du receveur, sélectionnés pour présenter un maximum d antigènes du complexe majeur d histocompatibilité similaires à ceux du receveur (donneurs apparentés). Ceci augmente également les chances que les antigènes mineurs soient similaires. En l absence de donneur intrafamilial, on peut recourir à des greffons provenant de volontaires sains. Un registre international recense les prélèvements de moelle osseuse ou de sang périphérique donnés bénévolement par des volontaires dont les caractéristiques MHC ont été analysées de façon exhaustive. Ces greffes de donneurs non apparentés (MUD pour Matched Unrelated Donor) font l objet d une recherche dans ces registres lorsqu un receveur est en attente d un greffon. Une alternative plus récente est l utilisation de cellules de sang placentaire, obtenu après l accouchement à partir du cordon ombilical. Les cellules très immatures contenues dans ces greffons diminuent la nécessité de rechercher la meilleure compatibilité MHC. III-2.Greffes de cellules souches adultes La capacité des cellules souches à s auto-renouveler et à se différencier en différents types tissulaires, ainsi que la compréhension des mécanismes à l origine de ces fonctions ont permis le développement des thérapies basées sur les cellules souches adultes pour réparer un tissu lésé. Deux principales sources de cellules souches sont utilisées : les cellules souches médullaires (dans la réparation myocardique par exemple) et les cellules souches mésenchymateuses (CSM). Ces cellules sont utilisées dans deux indications principales, pour la reconstruction tissulaire en raison de leurs propriétés de différentiation en différents lignages (os, cartilages, cellules musculaires lisses,..) ou pour le traitement de la GvH (voiir ce chapitre) en raison de leurs propriétés immuno-suppressives. Malgré leur caractère allogénique, les cellules souches 5

6 mésenchymateuses produisent des effets immuno-suppresseurs reposant notamment sur la production de cytokines et de prostaglandines. IV-Transfusion sanguine La transfusion sanguine est une thérapie substitutive. Les produits sanguins (plaquettes, globules rouges, plasma) proviennent de donneurs compatibles pour les groupes sanguins ABO. La fréquence d allo-immunisation du receveur est variable selon le produit sanguin transfusé. Elle a considérablement diminué depuis l utilisation de préparations déplétées en leucocytes. Elle reste plus faible avec les concentrés de globules rouges qu'avec les concentrés plaquettaires. La transfusion sanguine peut être à l origine d accidents transfusionnels mineurs (frissons) ou majeurs (réaction d hypersensibilité sévère, syndrome pulmonaire aigu lié à la transfusion). Le risque majeur de la transfusion sanguine chez les patients multi-transfusés, par exemple les malades atteints de drépanocytose, est la survenue d une allo-immunisation. L apparition d anticorps anti-groupes sanguins érythrocytaires ou anti-plaquettes qui induisent une destruction rapide des cellules transfusées peut aboutir à une impasse thérapeutique car les transfusions seront de moins en moins efficaces. V-Thérapie génique La thérapie génique consiste à introduire des séquences génétiques dans des cellules, des tissus ou des organes avec l objectif d induire, de corriger ou de réguler l expression d un gène afin d obtenir un effet thérapeutique. La thérapie génique est testée et développée pour différentes applications telles que les maladies monogéniques, certains cancers ou des pathologies plus complexes telles que les maladies cardiovasculaires ou les maladies infectieuses. L information génétique peut être apportée sous forme d ADN nu (plasmide ADN contenant les séquences nécessaires pour l expression de la protéine donnée), de complexes moléculaires non viraux, qui en général ont une efficacité relativement modérée, d ARN ou de vecteurs viraux recombinants dérivés de virus à ADN (adénovirus, virus adéno-associé AAV, Herpes simplex, virus de la vaccine) ou ARN (rétrovirus). La thérapie génique peut être réalisée soit en injectant directement in vivo l information génétique, soit en modifiant génétiquement ex vivo des cellules qui sont ensuite réinjectées aux patients. A côté de l effet thérapeutique directement recherché, toutes ces stratégies peuvent néanmoins aboutir à l apparition de réponses immunitaires. Celles-ci peuvent être potentiellement délétères lorsqu elles sont dirigées contre les vecteurs eux-mêmes et leurs 6

7 composants et/ou contre le produit du transgène, en conduisant à l élimination de l agent transfecté ou des cellules traduisant le transgène incorporé. En revanche, les réponses immunitaires peuvent être désirées lorsqu il s agit d induire une réponse effectrice destinée à traiter une maladie infectieuse ou un cancer, par exemple en induisant la production accrue de cytokines. V-1.Réponses immunitaires non désirées Ces réponses peuvent être dirigées contre le vecteur et ses composants notamment lorsqu il s agit de vecteurs d origine virale (enveloppe, capside). En effet, le vecteur viral peut être perçu comme étranger par le système immunitaire, comme lors d'une infection par un virus sauvage. Les réponses font appel à une sollicitation du système immunitaire inné via les TLR (Toll-like receptors). Elles peuvent aboutir à la production d anticorps neutralisants, à l activation du complément ou à la mise en place d une réponse lymphocytaire T de type Th1. Certains sujets possèdent des anticorps neutralisants contre des virus préalablement rencontrés et dont les sérotypes sont identiques ou proches de ceux des vecteurs utilisés en thérapie génique (vecteurs adénoviraux et les AAV). Dans ce cadre, les anticorps préexistant s'opposent à la pénétration du virus dès la première injection et empêchent le transfert de gènes thérapeutiques. Ces réponses immunitaires dirigées contre les cellules génétiquement modifiées aboutissent à une toxicité voire une destruction tissulaire et à la perte de l efficacité thérapeutique. Le risque de développement d une réponse immunitaire dirigée contre le produit du transgène a été rapporté notamment dans le cas de déficits monogéniques liés à des mutations non codantes. La réintroduction par voie génétique de la protéine déficiente, et donc initialement inconnue du système immunitaire, peut résulter en une reconnaissance du produit du transgène comme étranger. Les conséquences de cette réponse immune peuvent être la destruction des cellules génétiquement modifiées, une toxicité et/ou une perte de l efficacité thérapeutique. Différentes stratégies sont développées afin de contrôler des réponses immunes non désirées au cours de la thérapie génique. L'une d'entre elles consiste à minimiser le risque de réponse immunitaire en réduisant l expression du gène à un tissu ou une sous-population cellulaire donnés par l utilisation d un promoteur spécifique de tissu. La nécessité de maintenir un effet thérapeutique à long terme dans une maladie chronique oriente vers l'utilisation d'un vecteur peu immunogène, en tenant compte également du sérotype de ce 7

8 vecteur. Ainsi par exemple, l'usage d'un sérotype présent uniquement chez le singe permet de limiter le risque que le patient ait produit des anticorps par une immunisation antérieure. La minimisation du risque peut aussi reposer sur l'emploi d'une dose réduite des vecteurs injectés ou la sélection, dans le cas de thérapie génique destinée à corriger un déficit monogénique, de patients n ayant pas de mutation génétique nulle et donc immunologiquement tolérants vis-à-vis du produit du gène thérapeutique. Plus que l'utilisation d'immunosuppresseurs non dénués d'effets secondaires, l'obtention d'une tolérisation immunologique spécifique en amont de la thérapie génique est une voie de recherche prometteuse. V-II.Les réponses immunitaires souhaitées Celles-ci s apparentent aux stratégies vaccinales et correspondent à l immunothérapie génétique où l objectif est de faire exprimer notamment par des cellules présentatrices d antigènes des séquences d intérêt pour induire des réponses T cytotoxiques destinées à éliminer par exemple des cellules tumorales. Ceci est développé dans le chapitre ad hoc. VI-Vaccination et immunothérapie Les objectifs de la vaccination sont de réaliser des injections, parfois répétées, d un antigène issu d un pathogène afin d induire une réponse immunitaire mémoire qui permettra de mettre en jeu une réponse secondaire plus rapide et plus efficace lors d un contact ultérieur avec l'agent pathogène. Chez les patients déjà porteurs d une maladie, on parle de vaccination thérapeutique. Cette stratégie a pour but de traiter des maladies déclarées comme des infections virales chroniques ou des cancers. Ce sont à ce jour des traitements de type expérimental qui reposent soit sur des approches de thérapie cellulaire, soit sur des approches utilisant des vecteurs viraux ou non viraux contenant des antigènes d intérêt. Les vaccinations thérapeutiques cellulaires reposent sur l utilisation principalement de cellules dendritiques ou de monocytes / macrophages. Ces cellules sont chargées avec des antigènes d intérêt issus de cellules cancéreuses (antigènes tumoraux). Les cellules chargées présentent ensuite les peptides antigéniques sur leurs molécules du CMH en vue d induire des réponses lymphocytaires T CD4 et CD8. Bien que de nombreux essais cliniques aient été réalisés notamment chez des patients atteints de cancers métastatiques et que ces stratégies relativement lourdes aient montré qu il était possible d induire des réponses biologiques, elles demeurent décevantes pour ce qui concerne l induction de réponses cliniques. Moins de 10% des patients répondent positivement à ce type d approche vaccinale. 8

9 Il est important de souligner que les meilleures réponses cliniques sont observées chez les patients porteurs de tumeurs de petite taille. L efficacité de ces approches est indirectement identifiée par l apparition par exemple de vitiligo chez des patients vaccinés pour un mélanome, dont les mélanocytes normaux deviennent également la cible des lymphocytes cytotoxiques. Il faut enfin souligner l intérêt des vaccinations préventives anticancéreuses dérivant de vaccinations dirigées contre des virus tels que l hépatite B ou le papillomavirus. Ces vaccinations permettent non seulement une protection immunitaire en cas d infection par l agent pathogène mais également contre l apparition secondaire de cancers viraux induits : héparocarcinomes ou cancer du col de l utérus. Dans ce dernier cas, la vaccination antipapilloma virus est dorénavant recommandée chez les jeunes filles. 9

10 A retenir. L'apport dans l'organisme de gènes, de molécules ou de cellules (transfusion, greffes) peut entraîner une réponse immunitaire. Les biothérapies moléculaires à visée immunosuppressive ou immunorégulatrice peuvent entraîner des effets secondaires infectieux qui doivent être prévenus. Les biothérapies moléculaires à visée immunostimulante peuvent directement activer le système immunitaire par leurs effets cytokiniques, ce qui est la cause de réactions systémiques lors de leur administration. Les effets immunologiques des greffes de cellules hématopoiétiques peuvent être bénéfiques (effet anti-leucémique) comme délétères (GVH). La thérapie génique fait le plus souvent (mais non exclusivement) intervenir des gènes d intérêt à visée réparatrice ou substitutive Les vaccinations cellulaires constituent une approche prometteuse dans le traitement des cancers. 10