Study of two barriers in melanoma immunotherapy; myeloid derived suppressor cells and PD-L1/P-D1 inhibitory interaction

Abstract

Los tumores escapan eficazmente del ataque inmunitario al inhibir las actividades antitumorales de las células T. Esto se logra mediante al menos dos mecanismos principales. En primer lugar por el establecimiento de interacciones inhibitorias entre T y las células tumorales a través de la unión de “programed death”-1 (PD1) y su ligando (PDL1). En segundo lugar, al inducir la expansión de células mieloides inmunosupresoras potentes (MDSC). En esta tesis doctoral, he estudiado estas dos barreras inmunosupresoras clave para la terapia del cáncer. PDL1 es una de las moléculas inmunorreguladoras más importantes expresadas en la superficie celular de muchos tipos de células, incluidas las cancerosas. Además de unirse al receptor inhibidor PD1 en las células T, suprime las respuestas inmunes a través de vías de señalización intracelulares intrínsecas que mejoran la supervivencia de las células cancerosas, regulan las respuestas al estrés y confieren resistencia frente a estímulos proapoptóticos tales como los interferones. La administración sistémica de anticuerpos que bloquean las interacciones PDL1 / PD1 en pacientes con cáncer está demostrando un éxito clínico sin precedentes, pero aún queda mucho por conocer sobre sus mecanismos de acción. El primer objetivo de esta tesis fue identificar qué motivos en la secuencia dentro del dominio intracitoplásmatico, median la protección mediada por PDL1 frente a la apoptosis inducida por IFN. Se identificaron dos motivos implicados en el suministro de señales que inhiben las rutas de transducción de señales de IFN. Además, se descubrió que los cánceres humanos adquieren mutaciones somáticas dentro de estos motivos que potencian las actividades anti-interferón de PDL1, favoreciendo el crecimiento de células cancerosas in vitro. En general, los resultados presentados en esta tesis doctoral descubren un modo de acción de PDL1 en células cancerosas como primera línea de defensa contra la citotoxicidad de IFN. Las MDSC se diferencian de los precursores de la médula ósea y se expanden en los hospedadores con cáncer. Las MDSC se infiltran en tumores donde ejercen actividades procarcinógenicas. La identificación de vías moleculares específicas en las MDSC podría ayudar al desarrollo de nuevos tratamientos antineoplásicos. El segundo objetivo de esta sección de la tesis consistió en el estudio molecular en profundidad de MDSCs murinas generadas ex vivo que se asemejan a subconjuntos de infiltración de tumores de melanoma mediante proteómica cuantitativa de alto rendimiento. Se comparó el proteoma neoplásico de MDSC con los controles de MDSC no neoplásicos y las células dendríticas (DC) convencionales derivadas de médula ósea. Nuestros análisis dieron como resultado el mapa del interactoma más detallado del MDSC murinas hasta la fecha, y se descubrieron las redes que regulan el linaje celular y las vías inducidas por el cáncer. Proponemos algunas quinasas como dianas terapéuticas específicas de MDSC. Las actividades de estas quinasas regulan diferencialmente la diferenciación y las actividades de las MDSC, y se pueden inhibir específicamente en las MDSC mientras que las DC inmunogénicas no se ven afectadas en gran medida. Finalmente, discuto la potencial combinación de terapias dirigidas a ambas barreras; inhibición de las interacciones PD1-PDL1 y el bloqueo de las actividades de las MDSC como un enfoque óptimo para las terapias contra el cáncer.

Tumors effectively escape from the immune attack by inhibiting anti-tumor activities of T cells. This is achieved by at least two mechanisms, although there are several others of importance. First, the establishment of inhibitory interactions between T and tumor cells through programmed death-1 (PD-1) binding to its ligand (PD-L1), among others. Second, by inducing the expansion of potent immunosuppressive myeloid-derived suppressor cells (MDSCs). In this Ph.D. thesis, I have studied these two key immunosuppressive barriers for cancer therapy. PD-L1 is one of the most important immunoregulatory molecules expressed on the cell surface of many cell types including cancer cells. Apart from binding to the inhibitory receptor PD-1 on T cells, it suppresses immune responses by the delivery of intrinsic intracellular signaling pathways that enhance cancer cell survival, regulates stress responses and in this thesis we discover that it confers resistance towards pro-apoptotic stimuli such as interferons. The systemic administration of antibodies that block PD-L1/PD-1 interactions to cancer patients is demonstrating unprecedented clinical success, but much is yet to be known on the mechanisms of action. The first aim of this thesis was to firsltly identify sequence motifs within the intracytoplasmic domain of PD-L1 mediating protection from IFN-β-induced apoptosis. Two motifs implicated in the delivery of signals that inhibit IFN-β signal transduction pathways were identified. Moreover, it was found that human cancers acquire somatic mutations within these motifs that enhance the anti-interferon activities of PD-L1, favoring cancer cell growth in vitro. Overall, the results presented in this Ph.D. thesis uncovers a mode of action of PD-L1 in cancer cells as the first line of defense against IFN cytotoxicity. Myeloid derived suppressor cells (MDSCs) differentiate from bone marrow precursors and expand in cancer-bearing hosts. MDSCs infiltrate tumors where they exert pro-carcinogenic activities. Identification of specific molecular pathways in MDSCs could help the development of novel anti- neoplastic treatments. The second aim of this thesis consisted in the in-depth molecular study of ex vivo generated murine MDSCs that resemble melanoma tumor-infiltrating subsets by high-throughput quantitative proteomics. The neoplastic MDSC proteome was compared to those of non-neoplastic MDSC controls (derived ex vivo from 293T conditionant medium), and conventional bone-marrow derived dendritic cells (DCs). Our analyses resulted in the most detailed interactome map of the murine MDSC to date, and uncovered the networks regulating cell lineage and cancer-induced pathways. We propose some kinases as MDSC-specific therapeutic targets. The activities of these kinases differentially regulate MDSC differentiation and activities and can be specifically inhibited in MDSCs while keeping immunogenic DCs largely unaffected. Finally, I discuss the potential combination of therapies targeting both barriers; inhibition of PD-1-PD-L1 interactions and blockade of MDSC activities as an optimal approach for anti-cancer therapies.