Mécanismes de l immunosurveillance anti-tumorale

Mécanismes de l immunosurveillance anti-tumorale Eric Tartour, Dominique Bellet, François Lemoine, Hélène Moins Teisserenc, Franck Pagès I-Introduction 2 II-Arguments en faveur d un rôle du système immunitaire dans le contrôle de la prolifération des tumeurs 2 II-1.Arguments expérimentaux 2 II-2.Arguments épidémiologiques 3 II-2-a.Déficits immunitaires primitifs d origine génétique 3 II-2-b.Déficits immunitaires acquis 3 II-3.Arguments cliniques chez l homme 4 II-3-a.Effet GVL (greffon versus leucémie) 4 II-3-b.Régressions tumorales spontanées associées à une réponse immunitaire 4 II-3-c.Corrélation entre la présence d un infiltrat immunitaire et le bon pronostic clinique des tumeurs. 4 III-Reconnaissance des cellules tumorales par le système immunitaire : bases moléculaires de l immunosurveillance 4 IV-Effecteurs immunologiques impliqués dans l immunosurveillance et la réponse antitumorale. 6 IV-1.Anticorps 6 IV-2.Lymphocytes T 6 IV-3.Cellules de l immunité innée. 7 IV-3-a.Cellules Natural killer (NK) 7 IV-3-b.Lymphocytes NKT 7 IV-3-c.Autres cellules 8 V-Echappement de la tumeur à l attaque immunologique 8 1

I-Introduction La théorie de l immunosurveillance des tumeurs, d abord énoncée par Paul Ehrlich au début du XX siècle, puis reprise par Frank Macfarlane Burnett et Lewis Thomas, reconnaissait au système immunitaire un rôle majeur dans le contrôle de la prolifération des tumeurs. Elle reposait sur différentes observations dont celles de William B.Cooley, qui avait retrouvé une corrélation entre la régression de sarcomes osseux et la survenue de surinfection postopératoire par un streptocoque pathogène responsable d érésipèle. L hypothèse avait été émise que la réaction inflammatoire secondaire à la surinfection pouvait aussi contrôler la croissance tumorale. Aujourd hui, la théorie des 3E proposée par Robert Schreiber a prolongé et revisité la théorie de l immunosurveillance en stipulant que l interaction entre le système immunitaire et la cellule tumorale peut conduire à l Elimination de la tumeur, à un état d Equilibre (maîtrise de la prolifération des cellules tumorales sans éradication) ou à un Echappement de la cellule tumorale au contrôle immunologique. Cette dernière phase est la seule visible cliniquement, ce qui conduit à penser que le système immunitaire est devenu inefficace pour contrôler la croissance tumorale. Par ailleurs, il existe souvent une vision cloisonnée de la cellule tumorale entre les biologistes cellulaires et les généticiens d une part et les immunologistes d autre part. Il est clair que le premier système de sauvegarde mis en défaut dans les cancers est un système de biologie cellulaire résultant de l incapacité de réparer des anomalies génétiques ou de permettre à des cellules en cours d immortalisation d entrer en apoptose. Or un lien direct existe entre ces défauts observés et le système immunitaire. Ainsi, certaines altérations génétiques de l ADN peuvent induire des modifications phénotypiques de la cellule (mutations de protéines normales, expression sur la cellule tumorale de protéines de stress (MICA, Rae)) reconnues par le système immunitaire. II-Arguments en faveur d un rôle du système immunitaire dans le contrôle de la prolifération des tumeurs II-1.Arguments expérimentaux Des souris déficientes pour les gènes RAG (recombination activating gene), qui codent pour des enzymes indispensables au réarrangement des gènes des immunoglobulines et du récepteur T (TCR), sont totalement déficientes en lymphocytes B et T matures, et présentent une fréquence accrue de tumeurs spontanées et de tumeurs chimio-induites par comparaison à des souris sauvages. D autres travaux ont confirmé ces résultats en montrant que des souris déficientes en cellules ou molécules importantes pour l immunité innée (cellules Natural Killer, STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription)) ou adaptative (IFN, perforine ) développent également des tumeurs avec une fréquence accrue. 2

II-2.Arguments épidémiologiques Une augmentation de la fréquence de certains cancers a été observée au cours de différentes situations cliniques associées à un déficit immunitaire de type cellulaire touchant les lymphocytes T. Dans la majorité des cas, les cancers retrouvés dans ces populations de malades sont associés à des virus [sarcomes de Kaposi et herpès virus de type 8, lymphomes et EBV (Epstein Barr Virus), cancers du col de l utérus et papillomavirus]. L incapacité de l organisme atteint de déficit de l immunité cellulaire à éliminer ces virus et leur persistance prolongée chez l hôte favoriseraient le développement de tumeurs. II-2-a.Déficits immunitaires primitifs d origine génétique L ataxie télangiectasie s accompagne d anomalies qualitatives et quantitatives des lymphocytes T (hypoplasie thymique) associées à un déficit en IgG2, IgG4 et IgA. Ces malades présentent une incidence accrue de lymphomes, de leucémies T et de maladies de Hodgkin. Le syndrome de Wiskott-Aldrich est une maladie génétique liée à l X secondaire à une mutation du gène WAS codant pour la protéine WASP, intervenant dans la polymérisation de l actine. Ces patients se caractérisent par un déficit immunitaire combiné avec initialement une incapacité à produire des anticorps contre des antigènes polysaccharidiques, suivie d une anergie de leurs lymphocytes T contre différents antigènes. Ils présentent un risque accru de développer un syndrome lymphoprolifératif secondaire à une infection par EBV. La Trisomie 21 est le plus fréquent de tous les déficits immunitaires congénitaux. Il existe un déficit fonctionnel des lymphocytes T et une involution thymique précoce chez ces patients. Le taux de leucémie est vingt fois plus élevé que dans la population normale. II-2-b.Déficits immunitaires acquis En cas de SIDA non contrôlé, ce qui est plus rare depuis l avènement des tri-thérapies antivirales, les patients peuvent présenter un sarcome de Kaposi, des lymphomes non Hodgkiniens de type immunoblastique et des lymphomes de Burkitt. Une augmentation de la fréquence de lésions prénéoplasiques anales ou du col de l utérus liées aux papillomavirus et pouvant conduire à des cancers a également été rapportée. Le risque augmente avec l intensité de l immunosuppression (CD4 < 200/mm 3 ). Les traitements immunosuppresseurs (cyclosporine, azathioprine ) prescrits lors de transplantation d organes peuvent aussi être impliqués. L incidence de cancers (lymphomes non hodgkiniens en particulier) chez ces patients immunodéprimés est multipliée par 100 par rapport à la population générale de même âge. Certains lymphomes non hodgkiniens peuvent régresser spontanément lors de l arrêt des médicaments immunosuppresseurs, renforçant la relation entre le développement de ces cancers et l immunosuppression. Certains patients transplantés ont développé des cancers de mêmes types histologiques que des cancers présents antérieurement chez les donneurs et considérés comme guéris au 3

moment de la transplantation. Ces observations suggèrent que des cellules tumorales contrôlées par le système immunitaire étaient présentes de manière infraclinique chez le donneur (phase d équilibre) et que l immunosuppression a déclenché l apparition du cancer à partir de ces cellules chez le receveur. II-3.Arguments cliniques chez l homme II-3-a.Effet GVL (greffon versus leucémie) Les allogreffes de moelle allogénique non déplétée en lymphocytes T du donneur sont associées à un plus faible risque de rechute leucémique que les allogreffes déplétées en lymphocytes T. Il semble donc que les lymphocytes T cytotoxiques du donneur exercent un effet anti-leucémique qui réduit le risque de récidive. D'ailleurs, l'injection de lymphocytes T du donneur (ILD ou DLI anglo-saxon) est parfois utilisée pour le traitement de rechutes d'hémopathies malignes survenant après allogreffe de cellules hématopoïétiques. II-3-b.Régressions tumorales spontanées associées à une réponse immunitaire Des régressions spontanées partielles ou complètes ont été observées chez 1 à 2% des patients atteints de cancer du rein ou de mélanome. Une réaction lymphocytaire T cytotoxique dirigée contre les cellules tumorales a été démontrée dans certaines situations cliniques privilégiées, suggérant fortement leur implication dans la régression de ces tumeurs. II-3-c.Corrélation entre la présence d un infiltrat immunitaire et le bon pronostic clinique des tumeurs. Différents travaux ont montré que le niveau d infiltration tumorale par des lymphocytes T, et notamment des lymphocytes T-CD8 mémoires, était corrélée avec un meilleur pronostic du cancer. De façon générale, la composante immunitaire intra-tumorale peut constituer un nouveau type de biomarqueur, complémentaire des marqueurs conventionnels directement associés à la cellule tumorale. III-Reconnaissance des cellules tumorales par le système immunitaire : bases moléculaires de l immunosurveillance L identification et la caractérisation moléculaire du premier antigène tumoral chez l homme par le groupe de Thierry Boon, au début des années 1990, a constitué une étape décisive pour l immunologie des tumeurs. A la suite de ce travail pionnier, des centaines d antigènes associés aux tumeurs et reconnus par le système immunitaire ont été isolés. Ils sont aujourd hui classés en cinq grands groupes (Tableau 1) : i) Les antigènes du groupe «cancer testis» (Ex Mage, NY-ESO1 ) sont des antigènes exprimés spécifiquement par le tissu tumoral en dehors d une expression ectopique par les cellules germinales. Les risques de reconnaissance 4

de ces cellules germinales par les lymphocytes T dirigés contre ce type d antigène sont très faibles car elles n expriment pas les molécules CMH (molécules présentatrices de peptides aux lymphocytes T). ii) Les antigènes de différenciation sont des antigènes exprimés dans un tissu donné aussi bien par des cellules normales que par les cellules tumorales correspondantes. L induction de réponses anti-tumorales dirigées contre ces antigènes expose donc au risque d auto-immunité. iii) Les antigènes exprimés uniquement dans les cellules tumorales peuvent correspondre à des antigènes mutés (Kras, P53 ), des idiotypes d immunoglobulines exprimés spécifiquement par le clone B tumoral ou des néoantigènes générés à la suite d une translocation chromosomique (Bcr-Abl). iv) Des antigènes exprimés par des cellules normales peuvent être surexprimés par la tumeur (Her2/neu, Muc 1 ). v) Des antigènes dérivés d agents pathogènes : 15 à 20 % des cancers seraient associés à des agents pathogènes, notamment des virus (papillomavirus et cancers du col de l utérus ou des voies aérodigestives supérieures, virus des hépatites B et C et cancers du foie), mais également des bactéries (Helicobacter pylori et cancer de l estomac) ou des parasites (schistosome et cancer de la vessie) chez l homme. Des sites internet sont accessibles pour une mise à jour régulière des antigènes tumoraux disponibles. http://www/licr/org/serex.html Tous ces antigènes peuvent être reconnus par des anticorps ou des lymphocytes T de patients atteints de cancers. Ils constituent des cibles pour des stratégies d immunothérapie. Les antigènes tumoraux étant souvent également exprimés par des cellules normales, il est attendu qu une réponse anti-tumorale puisse s accompagner d une réponse auto-immune. Les protocoles cliniques reposant sur le transfert de lymphocytes T anti-tumoraux, de cytokines recombinantes (IL-2, IFN ) ou d anticorps immunomodulateurs comme l anticorps anti-ctla-4 (ipilimumab), s accompagnent de manifestations biologiques et/ou cliniques auto-immunes le plus souvent bénignes (vitiligo, thyroïdite) mais parfois sévères (entérocolite auto-immune). De premiers travaux ont rapporté une corrélation entre l apparition de ces manifestations auto-immunes et la réponse clinique à ces immunomodulateurs. 5

IV-Effecteurs immunologiques impliqués dans l immunosurveillance et la réponse anti-tumorale. IV-1.Anticorps Le rôle de la réponse humorale naturelle contre les tumeurs n est pas clairement établi. Par contre, depuis le début du XXI siècle, le succès des anticorps thérapeutiques en cancérologie a constitué une avancée thérapeutique majeure. Ainsi des anticorps contre Her2/neu (trastuzumab : Herceptin ), CD20 (rituximab : Mabthera ), le récepteur de l EGF (cetuximab : Erbitux ) ou le VEGF (bévacizumab : Avastin ) ont démontré leur efficacité et sont prescrits pour le traitement d un nombre croissant de tumeurs (cancers du sein, lymphomes, tumeurs du colon, cancers du rein, tumeurs ORL, cancers du poumon). Néanmoins, puisque certains de ces anticorps peuvent agir soit par une action directe sur la cellule tumorale ou via l inhibition de molécules pro-angiogéniques, ces anticorps ont été perçus comme de nouvelles chimiothérapies, certes moins toxiques, mais pas comme une approche d immunothérapie active. En fait, il est aujourd hui admis que leurs mécanismes d action mettent en jeu le recrutement d effecteurs et de molécules appartenant au système immunitaire. Ainsi, lorsque l anticorps s est fixé sur sa cible tumorale, il peut entraîner une lyse de la cellule par un mécanisme de cytotoxicité cellulaire dépendante d anticorps (ADCC, cr livre L2) correspondant à la fixation de la portion Fc de l anticorps sur un récepteur Fc R activateur (Fc RI, Fc RIIIa, Fc RIIIIa) exprimé par des macrophages ou des cellules NK. Les anticorps d isotype IgG1 et IgG3 sont les plus efficaces pour cette activité. Chez l homme, une corrélation entre les polymorphismes des Fc R activateurs et l efficacité de ces anticorps suggèrent également un rôle de ces récepteurs dans le mécanisme d action de ces anticorps. Par ailleurs, la liaison de l anticorps par son Fab sur des antigènes de la cellule tumorale peut entraîner la fixation de la protéine C1q sur le fragment Fc de l anticorps, suivie par la cascade d activation des protéines de la voie classique du complément, pour aboutir à la formation du complexe d attaque membranaire capable de lyser la cellule tumorale. Cette activation de la voie classique du complément libère aussi les facteurs chimiotactiques anaphylatoxiques C3a et C5a, capables de recruter des effecteurs immunologiques antitumoraux (neutrophiles, macrophages ) pro-inflammatoires. Les IgM, les IgG1 et les IgG3 sont les isotypes activant le mieux la voie classique du complément. IV-2.Lymphocytes T Comme évoqué précédemment, il existe de nombreux arguments démontrant un rôle des lymphocytes T dans le contrôle de la prolifération tumorale (défaut de production de lymphocytes T et développement de cancers, infiltration lymphocytaire T et bon pronostic des cancers, modèles expérimentaux murins). Le groupe de Steve Rosenberg a validé ce 6

rôle des lymphocytes T lors de nombreux protocoles d immunothérapie adoptive où des lymphocytes T de patients, activés et amplifiés in vitro, étaient réadministrés in vivo. Des pourcentages de réponses cliniques variant de 20 à 50% ont été observés avec ce type d approche chez des patients atteints de mélanome. De nombreux travaux ont montré la capacité cytotoxique des lymphocytes T CD8, après reconnaissance d un complexe CMH-I-peptide à la surface de la cellule tumorale. Cette cytotoxicité peut résulter de la libération de granules préformés contenant de nombreuses enzymes et cytotoxines dont la perforine et les granzymes. L interaction de molécules membranaires exprimées à la surface du lymphocyte T CD8 (Fas-Ligand, TRAIL) avec leurs ligands (Fas, TRAIL Ligand..) sur la cellule tumorale peut aussi déclencher l apoptose de cette dernière. Le rôle des lymphocytes T CD4 est plus complexe. Il peut exister un mécanisme anti-tumoral direct des lymphocytes T CD4 via la production de cytokines, la libération de granules cytotoxiques ou l interaction de molécules membranaires exprimées par ces cellules (Fas-L) et de leur ligand (Fas) sur les cellules tumorales. Dans la majorité des cas, leur rôle est cependant indirect dans le rejet des tumeurs. Ainsi, il a été montré que les lymphocytes T CD4 producteurs de cytokines Th1 (IL-2, IFN ) jouent un rôle essentiel dans l induction et la persistance des lymphocytes T CD8 anti-tumoraux. Dans certains cas, à l inverse, un rôle pro-tumoral a été assigné à des lymphocytes T CD4 de type T régulateurs ou avec une polarisation cytokinique particulière (Th2, Th17 ). IV-3.Cellules de l immunité innée. IV-3-a.Cellules Natural killer (NK) Les cellules NK sont particulièrement efficaces pour lyser des cellules tumorales n exprimant plus les molécules du CMH de classe I. Leur rôle peut donc apparaître complémentaire à celui des lymphocytes T CD8 nécessitant l expression du CMH de classe I sur sa cible. La découverte de récepteurs de type lectine ou appartenant à la famille des KIR (Killer Immunoglobulin-like Receptor), dont l interaction avec les molécules du CMH de classe I délivre un signal inhibiteur aux cellules NK, permet de mieux expliquer pourquoi, en l absence de molécules du CMH de classe I, ces cellules NK ont une cytotoxicité augmentée pour leur cible tumorale (cf. livre L2). D autres types de récepteurs de type «activateurs», récepteurs NCR (NKp46, NKp44, NKp30) ou NKG2D, jouent un rôle dans l activation des cellules NK pour la lyse des tumeurs. Ainsi l expression de ligands (H60, Rae, MICA ) de ces récepteurs activateurs par la cellule tumorale entraîne un rejet de ces tumeurs par un mécanisme dépendant des cellules NK. IV-3-b.Lymphocytes NKT Ces lymphocytes T se caractérisent par un répertoire restreint et la reconnaissance de glycolipides présentés par CD1d, molécule apparentée aux molécules de CMH de classe I. 7

Certaines de ces cellules expriment des marqueurs de cellules NK. Il a été rapporté que les souris déficientes en cellules NKT sont plus sensibles à la cancérogènèse. Un ligand artificiel de ces cellules NKT, l -GalCer ( -galactosyl-céramide) les stimule et permet la régression de métastases. Une lyse directe des cellules tumorales par les cellules NKT et l activation secondaire des cellules NK seraient les deux principaux mécanismes à l origine de l effet anti-tumoral de ces cellules. IV-3-c.Autres cellules D autres effecteurs cellulaires (lymphocytes T, macrophages, polynucléaires éosinophiles, polynucléaires neutrophiles) peuvent jouer un rôle anti-tumoral dans des situations expérimentales particulières. Cependant, pour certaines de ces cellules, un rôle pro-tumoral a également été rapporté. V-Echappement de la tumeur à l attaque immunologique L un des arguments importants, en faveur du rôle du système immunitaire dans le contrôle des tumeurs, réside dans sa capacité à modifier le phénotype tumoral par une pression de sélection («immuno-editing»). Ainsi, le système immunitaire sélectionne des variants tumoraux résistant à l attaque immunologique par différents mécanismes : - perte de l expression d antigènes tumoraux, ou de molécules du CMH voire de molécules de transport TAP, - augmentation de l expression de molécules anti-apoptotiques (bcl-2, c-flip ), - production de molécules immunosuppressives (TGF, IL-10, PGE2, IDO (Indoleamine 2,3-DiOxygenase)), - recrutement dans le microenvironnement tumoral de cellules suppressives (lymphocytes T régulateurs, cellules myéloïdes suppressives, macrophages de type M2 ). Ces dernières inhibent l activité des lymphocytes infiltrant les tumeurs. Elles produisent également des facteurs de croissance qui favorisent la prolifération tumorale. Elles peuvent aussi produire des molécules pro-angiogéniques. - expression de molécules (Fas-L, PD-L1..) favorisant l apoptose des lymphocytes. Tous ces phénomènes d échappement et d immunosuppression sont augmentés au cours de la progression de la maladie. Cette capacité des cellules tumorales à échapper au système immunitaire est une propriété permettant de caractériser un phénotype malin au même titre que l induction de l angiogénèse ou l instabilité génomique. Par ailleurs, une inflammation chronique peut favoriser le développement de cancers et la progression de tumeurs établies. La cellule tumorale se sert ainsi pour sa propre croissance de certaines cellules du système immunitaire et des molécules qu elles produisent. Les 8

macrophages et les neutrophiles jouent un rôle important dans cette inflammation chronique en sécrétant des facteurs de croissance de la tumeur [Epidermal Growth Factor (EGF), facteurs pro-angiogéniques (Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)), Fibroblast Growth Factor (FGF), enzymes qui dégradent la matrice (Matrix Metallopeptidase 9 (MMP-9)), héparanase] qui favorisent également l invasion tumorale. Ils produisent aussi des radicaux libres de l oxygène qui sont génotoxiques, des cytokines et des chimiokines qui amplifient l inflammation. Il a été montré qu un traitement anti-inflammatoire par de l aspirine pourrait ainsi réduire la survenue et la mortalité de certains cancers. Il existe donc des effets bénéfiques mais aussi potentiellement délétères du système immunitaire dans le contrôle de la progression tumorale. Ce concept d immunosurveillance a conduit au développement d une nouvelle approche thérapeutique, l immunothérapie des cancers, visant à amplifier la réponse immunitaire antitumorale naturelle. Il existe aujourd hui différentes indications cliniques où des immunomodulateurs (BCG dans les cancers de la vessie, IL-2 dans les tumeurs du rein et les mélanomes, imiquimod (agoniste de TLR-7) dans les cancers basocellulaires) ou des vaccins cellulaires (Sipuleucel, Provenge dans les cancers de la prostate) ont démontré leur efficacité et leur intérêt thérapeutique. 9

A retenir La théorie de l immunosurveillance ou théorie des 3E stipule que l interaction entre le système immunitaire et la cellule tumorale peut conduire à l Elimination de la tumeur, à un état d Equilibre (maîtrise de la prolifération des cellules tumorales sans éradication) ou à un Echappement de la cellule tumorale au contrôle immunologique. Une augmentation de la fréquence de certains cancers est observée au cours de situations cliniques associées à un déficit immunitaire touchant les lymphocytes T. Au cours des allogreffes de moelle osseuse, les lymphocytes T cytotoxiques du donneur exercent un effet anti-leucémique qui réduit le risque de récidive. Le niveau d infiltration tumorale par des lymphocytes T et notamment des lymphocytes T CD8 mémoires est corrélé avec un meilleur pronostic du cancer. Il existe des antigènes associés aux tumeurs reconnus par le système immunitaire. Les anticorps thérapeutiques en cancérologie ont constitué une avancée majeure. Les cellules NK ont un rôle complémentaire à celui des lymphocytes T CD8 lorsque les cellules tumorales n expriment plus de molécules du CMH de classe I. Au cours de la progression tumorale, la tumeur développe différents mécanismes d échappement à l attaque immunologique. Une inflammation chronique peut favoriser le développement de cancers. L immunothérapie des cancers vise à amplifier la réponse immunitaire anti-tumorale naturelle contre les cancers. 10