Decoding the cellular interactions regulating CAR T cell antitumor activity in vivo using two-photon intravital imaging
Institution:
Université de Paris (2019-....)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Chimeric antigen receptor (CAR) T cells represent a potentially curative strategy for relapsed and refractory B cell malignancies. This strategy is based on the modification of the patient's T cells to express a chimeric antigen receptor that targets a tumor-associated marker, thus triggering tumor elimination. However, the outcome and dynamics of CAR T cell interactions in distinct anatomical sites are poorly understood. Also, whether CAR T cells act autonomously or require interactions with the tumor microenvironment (TME) is unclear. Using intravital imaging, we tracked interactions established by anti-CD19 CAR T cells in aggressive B cell lymphoma-bearing mice. Circulating targets trapped CAR T cells in the lungs, reducing their access to lymphoid organs. In the bone marrow, tumor apoptosis was largely due to CAR T cells that engaged, killed, and detached from their targets within 25 min. Notably, not all CAR T cell contacts elicited calcium signaling or killing while interacting with tumors, uncovering extensive functional heterogeneity. Mathematical modeling revealed that direct killing was sufficient for tumor regression. Also, antigen-loss variants emerged in the bone marrow, but not in lymph nodes, where CAR T cell cytotoxic activity was reduced, revealing underappreciated anatomical heterogeneity. Using single-cell RNA sequencing, we revealed profound modification of the TME during CAR T cell therapy. IFN-gamma production by CAR T cells and cytokine signaling in host cells not only enhanced endogenous T and NK cell activity but were also essential for sustaining CAR T cell cytotoxicity as revealed by intravital imaging. Compared to CD8+ CAR T cells, CD4+ CAR T cells were more efficient at host immune activation but less capable of tumor killing. In sum, CAR T cells are not acting alone in vivo but rely instead on a cytokine-mediated crosstalk with the TME for optimal activity. In sum, we have unraveled underappreciated anatomical and functional heterogeneity of CAR T cells, as well as essential crosstalks between CAR T cells and the TME. Identifying the strengths and the weaknesses of CAR T cells should help to design optimized CAR T cell strategies to limit relapses.
Abstract FR:
Les thérapies par cellules CAR T (Chimeric Antigen Receptor T cells) anti-CD19 ont démontré une efficacité clinique remarquable dans les lymphomes et leucémies B réfractaires ou en rechute. Cette stratégie consiste à faire exprimer par les lymphocytes T du patient un récepteur chimérique ciblant un marqueur tumoral et puissent ainsi éliminer la tumeur. Malgré des résultats cliniques stupéfiants, de nombreux points clés du fonctionnement des cellules CAR T restent néanmoins méconnus, en particulier les mécanismes et les dynamiques d'élimination tumorale mais aussi les conséquences des interactions cellulaires entre CAR T et l'hôte dans différents sites anatomiques. Dans le but de décoder les interactions cellulaires régulant l'efficacité des thérapies CAR T in vivo, nous avons visualisé l'activité individuelle des cellules CAR T grâce à la microscopie intravitale biphotonique dans un modèle murin de lymphome B agressif. Les interactions avec les cibles circulantes agrègent les cellules CAR T dans la circulation pulmonaire, réduisant ainsi leur accès aux organes lymphoïdes. Dans la moelle osseuse, la mort tumorale était principalement induite par un contact avec une cellule CAR T, qui typiquement entre en contact avec une cellule tumorale cible, induit l'apoptose et se détache en 25 minutes environ. En réalité, seulement une fraction des cellules CAR T présentes au site tumoral signale efficacement et tue la tumeur, révélant une hétérogénéité fonctionnelle auparavant sous-estimée. Une modélisation mathématique a révélé que la cytotoxicité directe apparait suffisante pour induire la régression tumorale initiale. Les rechutes négatives pour CD19 surviennent préférentiellement dans la moelle osseuse par rapport aux ganglions lymphatiques, où l'activité cytotoxique apparait réduite. En combinant single cell RNAseq et cytométrie, nous avons démontré que le traitement par cellules CAR T induit de profonds changements dans le micro-environnement tumoral. En comparaison aux cellules CD8+, les CAR T CD4+ ont une activité cytotoxique moindre mais stimulent d'avantage l'immunité endogène. Nous avons mis en évidence que la réponse anti-tumorale prolongée dépend de l'action de l'IFN-gamma produit par les cellules CAR T sur les cellules hôtes, essentielle pour stimuler l'immunité endogène mais aussi pour renforcer la cytotoxicité des cellules CAR T. Au total, le déchiffrage des interactions cellulaires établies par les cellules CAR T révèle une hétérogénéité fonctionnelle et anatomique insoupçonnée ainsi que des interactions complexes entre les cellules CAR T et les cellules de l'hôte au sein du microenvironnement tumoral. Cet éclairage sur les forces et les faiblesses des cellules CAR T ouvre la voie à des progrès thérapeutiques, en particulier pour limiter les rechutes.