Gene expression profiling of CD4+ T cells infiltrating human breast carcinomas identified CXCL13-producing T follicular helper cells associated with tertiary lymphoid structures and better patient outcome: identification des cellules T auxiliaires folliculaires produisant CXCL13, associées aux structures lymphoïdes tertiaires et corrélées à une meilleure survie des patientes

Over the past decade, studies using murine models have led to the demonstration that CD4+ T helper (Th) cells play a critical role in the control of cancer progression. Additional support for their importance comes from the growing body of recent clinical/translational research data demonstrating the importance of tumor-infiltrating T and B lymphocytes in long-term patient survival for various types of cancer, including breast cancer (BC). As the key population coordinating adaptive immune responses, the role(s) played by individual Th subsets in cancer immunity remains largely controversial. The Th1 subset has uniquely been shown to have a clear anti-tumor effect, guiding CD8+ cytotoxic T cells-mediated direct tumor cell lysis through IFN-γ secretion. Although the negative regulatory role played by Treg cells has been extensively studied in cancer, its prognostic value along with that of Th2 and Th17 cells have not been clearly demonstrated in patients. T follicular helper (Tfh) cells, a recently characterized Th subset that plays a primary role in the generation of B cell memory in secondary lymphoid organs, have not been previously described infiltrating solid tumors. The principal objective of this thesis was to perform an in-depth characterization of tumor-infiltrating CD4+ T cells (TIL) and Th subsets in human BC, where very little is currently known.

Using whole genome microarrays, we analyzed the gene expression profiles of TIL relative to their counterparts from the axillary lymph nodes and peripheral blood. Applying a novel approach, we compared TIL profiles with public microarray data for Th subsets, demonstrating: 1) the presence of all major Th subsets (Th1, Th2, Th17, Treg as well as Tfh) in the TIL, 2) the TIL are effector memory rather than central memory cells, 3) the TIL are concomitantly activated and suppressed and 4) TIL from tumors with extensive lymphoid infiltrates are more activated/less suppressed in the TCR/CD3 signaling pathway, producing higher levels and a wider panel of Th cytokines than TIL from minimally-infiltrated tumors.

We also performed in vitro experiments to study tumor microenvironment effects on TIL by treating normal CD4+ T cells from healthy donor blood with primary tumor supernatants (SN). Tumor SN largely reproduces the TIL profile in normal Th cells, totally suppressing their activation and inhibiting their cytokine production. Intriguingly, the highly restricted number of cytokines induced by tumor SN included several tumor-promoting factors, such as IL-8 and TNF. SN from an extensively-infiltrated tumor was found to be less immune-suppressive than SN from minimally-infiltrated tumors. In line with this, TIL from minimally-infiltrated tumors are closer to SN-treated (suppressed) activated donor cells whereas TIL from extensively-infiltrated tumors are more similar to activated cells without SN treatment.

These results led us to further investigate the observed differences between TIL from extensive and minimally-infiltrated tumors. Genes characterizing Th1 and Tfh cells were enriched in the extensively-infiltrated tumors. PD-1hiCD200hi Tfh cells were specifically detected in extensively-infiltrated tumors by flow cytometry and these cells were determined to be the major source of the chemokine CXCL13. Immunohistochemical analysis demonstrated highly-organized tertiary lymphoid structures (TLS) within the tumor, containing a CD4+/CD8+ T cell zone and a B cell zone with reactive germinal centers where Tfh cells and follicular dendritic cells (FDC) are resident. Their presence suggests the origin of an effective memory anti-tumor immune response.

Finally, we generated Tfh- and Th1-specific gene signatures reflecting differences between extensive and minimal TIL and tested their prognostic value in large-patient-scale public data sets. Our Tfh signature predicts better 10-year disease-free survival for all BC subtypes, outperforming the Th1 signature, suggesting that Tfh cells play a more central role than Th1 cells in anti-tumor immunity. CXCL13 is the determinant gene of our Tfh signature, showing particularly strong prognostic power for the HER2+ subtype. Additionally, these signatures also predict a better response to neoadjuvant chemotherapy.

This thesis research has demonstrated that a previously undetected Th subset, Tfh cells, infiltrates solid tumors and shown that their presence signals enhanced anti-tumor immunity.

Durant cette dernière décennie, des travaux menés dans des modèles murins ont permis de mettre en évidence le rôle crucial joué par les lymphocytes T auxiliaires CD4+ (Th) dans le contrôle de la progression des cancers. De plus, de nombreuses études cliniques et/ou translationnelles récentes corroborent ces observations en montrant une corrélation entre l’importance de l’infiltration intra-tumorale par les lymphocytes T et B et la survie à long terme des patients atteints de différents types de cancer, dont le cancer du sein. En tant que chefs d’orchestre de la réponse immune adaptative, les rôles spécifiques des sous-populations des cellules Th restent controversés. Les Th1 sont la seule population exerçant une claire réponse anti-tumorale, qui est liée à la sécrétion d’IFN-γ, une cytokine primordiale à l’action des lymphocytes T cytotoxiques CD8+. Bien que le rôle néfaste des T régulateurs (Treg) a été largement étudié dans le cancer, leur implication pronostique ainsi que celle des Th2 et Th17 n’ont pas encore été clairement démontrées. La présence d’une sous-population de CD4, les T auxiliaires folliculaires (Tfh), cellules clés dans la différenciation des lymphocytes B mémoires au sein des organes lymphoïdes secondaires, n’a jamais été décrite dans les cancers solides. Le but principal de ce travail est de caractériser les sous-populations des lymphocytes T CD4+ infiltrant la tumeur (TIL) en prenant comme modèle le cancer du sein humain. A l’heure actuelle, il existe très peu de données sur les TIL CD4 dans ce type de cancer.

Nous avons d’abord établi le profil génique des TIL en les comparant avec ceux provenant des ganglions axillaires ou du sang périphérique. En appliquant une nouvelle approche, nous avons comparé les profils des TIL avec les données publiques de sous-populations de Th et démontré que : 1) toutes les sous-populations de cellules Th (Th1, Th2, Th17, Treg et Tfh) infiltrent la tumeur, 2) les TIL ont un phénotype plus proche de celui des cellules mémoires effectrices que des cellules mémoires centrales, 3) les TIL sont simultanément activés et supprimés et 4) les TIL provenant des tumeurs massivement infiltrées («extensives») par des lymphocytes sont mieux activés et moins supprimés que les TIL des tumeurs peu infiltrées («minimales») dans la voie de signalisation TCR et produisent des cytokines d’une quantité plus élevée et d’une répertoire plus large.

Nous avons également effectué des expériences in vitro pour étudier l’effet de l’environnement tumoral sur les TIL en traitant des CD4 normaux (provenant des donneuses saines) par le surnageant (SN) extrait des tumeurs fraiches. Le SN tumoral induit un profil génique proche de celui des TIL en inhibant l’activation et la production de cytokines de ces cellules stimulées. Curieusement, parmi le peu de cytokines induites par le SN tumoral, des facteurs pro-tumoraux comme IL-8 et TNF sont détectés. Le surnageant provenant d’une tumeur «extensive» est moins immunosuppresseur que ceux des tumeurs «minimales». Conformément, les TIL provenant des tumeurs «minimales» ont un profil génique proche des cellules normales activées et traitées (supprimées) par le SN tumoral tandis que les TIL des tumeurs «extensives» ressemblent aux cellules activées non traitées.

Ces résultats nous avaient guidés à investiguer plus profondément les différences observées entre les TIL des tumeurs «extensives» et «minimales». Les gènes caractéristiques des Th1 et Tfh sont enrichis dans les tumeurs «extensives». Les cellules Tfh PD1hiCD200hi sont spécifiquement détectées par cytométrie de flux dans les tumeurs «extensives» et sont identifiées comme les producteurs principaux de la chimiokine CXCL13. L’examen par immunohistochimie a permis de détecter des structures lymphoïdes tertiaires (TLS) dans la tumeur, composées d’une zone T (CD4 et CD8) et d’une zone B au sein de laquelle se trouve parfois un centre germinatif actif contenant des Tfh et des cellules dendritiques folliculaires (FDC). La présence de ces structures suggère l’origine d’une réponse immune mémoire anti-tumorale.

Finalement, nous avons établi des signatures géniques spécifiques aux Tfh et Th1 et recherché leur impact pronostique dans deux bases de données publiques à grande échelle. Notre signature Tfh est positivement corrélée avec la survie à 10 ans des patientes de tous les sous-types de cancer du sein, et est plus performante que la signature Th1. Ceci suggère que les Tfh pourraient jouer un rôle plus crucial que les Th1 dans la réponse immune anti-tumorale. CXCL13 est le gène déterminant de notre signature Tfh et son expression est fortement associée à une meilleure survie chez les patientes du sous-type HER2+. De plus, ces signatures prévoient également une meilleure réponse à la chimiothérapie néoadjuvante (préopératoire).

Cette étude a démontré qu’une nouvelle sous-population de CD4, les Tfh, infiltre la tumeur solide et leur présence indique l’existence d’une immunité anti-tumorale renforcée.