Dendritic cell-based therapeutic vaccination for acute myeloid leukemia

ARTICLE

Auteur(s) : Sébastien Anguille^1,2 sebastien.anguille@uza.be, Vigor Van Tendeloo^1,2, Zwi Berneman^1,2

¹ Université d’Anvers/University of Antwerp, laboratoire d’hématologie expérimentale, Universiteitsplein 1, 2610 Wilrijk, Anvers, Belgique

² Centre hospitalier universitaire d’Anvers/Antwerp University Hospital, centre de thérapie cellulaire et médecine régénérative, service d’hématologie, Wilrijkstraat 10, 2650 Edegem, Anvers, Belgique

Tirés à part : S. Anguille

Introduction

Au cours des 30 dernières années, les options thérapeutiques pour la prise en charge des adultes atteints d’une leucémie aiguë myéloïde (LAM) se sont considérablement améliorées et diversifiées. Aujourd’hui, une polychimiothérapie intensive permet d’obtenir une rémission complète (RC) chez l’immense majorité des patients. Par ailleurs, l’arrivée de la greffe de cellules souches hématopoïétiques a ouvert la perspective d’une guérison complète de cette forme agressive de cancer du sang [1]. Malgré tout, le pronostic à long terme des patients atteints de LAM reste extrêmement défavorable, avec un taux moyen de survie à cinq ans d’environ 25 %. Au-delà de 65 ans, le pronostic des patients est particulièrement mauvais, comme en témoigne leur taux de survie à cinq ans de seulement 5 % approximativement. Les analyses épidémiologiques révèlent que ce taux n’a pratiquement pas évolué au fil des ans. On peut donc en déduire que les avancées thérapeutiques ont presque exclusivement concerné les patients de moins de 65 ans [2].

La cause de ce pronostic défavorable à long terme réside dans le pourcentage élevé de récidive, en particulier chez les patients âgés de plus de 60 ans, dont environ 80 % finissent par rechuter même après avoir initialement obtenu une RC à l’issue du traitement de chimiothérapie. Les récidives sont généralement imputées à la persistance de cellules (souches) leucémiques résiduelles résistantes à la chimiothérapie conventionnelle, phénomène connu sous le nom de « maladie résiduelle minimale (MRM) » (minimal residual disease–[MRD]) [3]. On sait qu’il est possible d’éradiquer la MRM et de prévenir les récidives efficacement grâce à l’allogreffe de cellules souches hématopoïétiques et son effet « greffe versus leucémie (GvL) » médié par les cellules immunitaires du donneur. L’allogreffe de cellules souches est toutefois associée à un taux élevé de mortalité et de morbidité, raison pour laquelle cette modalité de traitement est généralement réservée aux patients plus jeunes. Ce constat souligne le besoin de nouvelles stratégies thérapeutiques anti-rechutes innovantes, en particulier pour le groupe toujours plus grand des patients de plus de 60-65 ans. L’une des stratégies prometteuses à cet égard est la vaccination par cellules dendritiques (CD) autologues [1].

Cet article de synthèse dresse un état de la situation actuelle concernant le développement d’un tel vaccin et se penche sur le rôle que pourra jouer cette forme d’immunothérapie dans le traitement de la LAM au xxi^e siècle.

Principes immunologiques de la vaccination anti-LAM par cellules dendritiques

Cellules dendritiques

L’effet GvL associé à l’allogreffe de cellules souches hématopoïétiques nous a appris que le système immunitaire est capable de reconnaître et finalement d’éradiquer les cellules leucémiques. Les CD jouent un rôle clé dans le développement de cette immunité antileucémique [1]. La principale fonction de ces cellules consiste à capturer les antigènes, à les fragmenter en épitopes, puis à les présenter aux lymphocytes T via des molécules du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH). Cette présentation antigénique s’effectue essentiellement au niveau des organes lymphoïdes secondaires, en particulier aux endroits où se concentrent un grand nombre de lymphocytes T, tels que les zones riches en cellules T des ganglions lymphatiques. Une « synapse immunologique » peut alors se former entre les CD et les lymphocytes T et finalement induire une réponse immunitaire cellulaire de type T_H1 (T-helper 1).

Pour qu’une telle réaction immunitaire puisse se produire, plusieurs conditions préalables essentielles doivent toutefois être réunies [4]. Il faut tout d’abord qu’une liaison se forme entre le complexe épitope-CMH à la surface cellulaire de la CD et un TCR (récepteur des cellules T) à la surface du lymphocyte (condition 1 ou « signal 1 » ; figure 1). L’activation lymphocytaire nécessite cependant également la présence de signaux de costimulation positifs, médiés par l’interaction de CD80 ou de CD86 à la surface des CD avec CD28 à la surface du lymphocyte T (« signal 2 »). Enfin, la CD sécrète également des cytokines polarisant la réponse T_H1, en particulier l’interleukine 12 (IL-12). Celle-ci est libérée après l’interaction de CD40 avec son ligand, exprimés à la surface des CD et des lymphocytes respectivement (« signal 3 »). En présence de ces cytokines, les lymphocytes T naïfs peuvent se transformer en cellules T_H1 qui, à leur tour, peuvent induire des lymphocytes T cytotoxiques (CTL) CD8+ spécifiques de l’antigène via des cytokines telles que l’interféron (IFN). Ces CTL sont les derniers intervenants de la réaction immunitaire cellulaire ; ils sont capables de reconnaître et d’induire la mort cellulaire des cellules cibles qui expriment l’antigène concerné [4].

Il est bien établi que les cellules malignes, y compris les cellules leucémiques, expriment à leur surface des antigènes tumoraux contre lesquels une réponse immunitaire peut être induite. L’emploi de CD à des fins de vaccination antitumorale repose sur ces constatations. Le principe de la vaccination antitumorale par CD consiste dès lors à administrer au patient des CD chargées avec des antigènes tumoraux afin de générer, grâce à leurs puissantes propriétés de présentation antigénique, des CTL dirigés contre la tumeur [1].

Antigène de la leucémie : pleins feux sur la protéine de la tumeur de Wilms 1 (WT1)

Le choix de l’antigène cible constitue une étape cruciale dans le développement d’un puissant vaccin à base de CD dirigé contre la LAM. L’objectif de cet article n’étant pas une revue exhaustive des antigènes identifiés jusqu’à ce jour dans la LAM, nous ne nous concentrerons que sur l’un d’eux, la protéine de la tumeur de Wilms 1 (« Wilms’ tumor 1 » ou « WT1 »), compte tenu de son intérêt thérapeutique. WT1 est un antigène qui est surexprimé dans environ 90 % des cas de LAM [5]. Cependant, il est également exprimé au sein des cellules non leucémiques (auto-antigène). Cela implique que la vaccination antitumorale dirigée contre WT1 comporte un risque intrinsèque d’auto-immunité. En pratique, ce risque est toutefois presque insignifiant, vraisemblablement parce que l’expression de WT1 dans les cellules leucémiques est nettement supérieure au niveau d’expression « physiologique » au sein des cellules saines [6]. La littérature fait également état de la formation possible d’une forme aberrante de la protéine dans le cadre de la LAM [7]. Cette surexpression aberrante de WT1 permet probablement au système immunitaire de distinguer plus précisément les cellules leucémiques des cellules saines, ce qui minimise le risque d’auto-immunité. Compte tenu de son rôle essentiel dans la leucémogenèse et de ses propriétés immunogéniques, WT1 est considéré comme un antigène cible extrêmement intéressant pour l’immunothérapie de la LAM [8]. Plusieurs études cliniques ont déjà démontré que la vaccination antitumorale dirigée contre WT1 peut induire des effets antileucémiques objectifs chez les patients atteints de LAM, ce qui souligne encore un peu plus la pertinence thérapeutique de cet antigène. Dans cette optique, il n’est donc pas étonnant que WT1 occupe la première place d’un classement récent des antigènes les plus prometteurs sur le plan thérapeutique [8].

Préparation de vaccins à base de cellules dendritiques à usage clinique

Le faible taux de CD circulant dans le sang périphérique (moins de 1 % de la fraction « Peripheral blood mononuclear cells [PBMC] »-cellules mononuclées du sang périphérique) ne permet généralement pas d’extraire directement du sang un nombre suffisant de ces cellules pour produire des vaccins. Il faut donc se tourner vers les précurseurs des CD qui, d’un point de vue logistique, peuvent être collectés en quantités suffisantes, puis générer des CD matures in vitro. Pour la préparation des vaccins à base de CD à usage clinique dans le cadre de la LAM, on utilise généralement l’un des deux types de précurseurs de CD : blastes leucémiques ou monocytes [10].

Cellules dendritiques dérivées de blastes

Les blastes leucémiques possèdent la faculté intrinsèque de se différencier en cellules présentant les caractéristiques phénotypiques et fonctionnelles des CD. La littérature fait état de différents protocoles de culture qui permettent d’obtenir in vitro des CD à partir de blastes de LAM et d’utiliser ces cellules pour produire des vaccins à base de CD. Dans le cadre de la préparation de vaccins à base de CD dérivées de blastes, l’aspect de la biosécurité fait l’objet d’une attention particulière, dans la mesure où il faut absolument éviter que des blastes de LAM viables ne contaminent le produit cellulaire final et ne causent une récidive de la LAM. Aussi, ces produits cellulaires à finalité thérapeutique doivent être irradiés avant de pouvoir être administrés aux patients [10].

L’un des principaux avantages liés à l’utilisation de CD dérivées de la LAM est que ces cellules conservent l’ensemble du répertoire des antigènes leucémiques des blastes de LAM. Les CD dérivées de la LAM peuvent donc présenter un large spectre d’antigènes leucémiques, sans devoir être chargées avec des antigènes par voie exogène. Des études in vitro et in vivo ont en effet révélé que la vaccination à l’aide de CD dérivées de la LAM pouvait entraîner une réaction immunitaire antileucémique spécifique contre plusieurs antigènes, ce qui montre une fois de plus le potentiel thérapeutique de cette forme de vaccination [10, 11, 12].

Pourtant, l’utilisation de ce type de CD à des fins cliniques est de plus en plus controversée. La faisabilité technique de la culture de CD dérivées de la LAM reste en effet un point délicat. Le problème réside dans la difficulté de recueillir suffisamment de blastes de LAM et de les convertir, in vitro, en CD à part entière, ce qui n’est possible que chez deux tiers des patients [10]. En outre, le nombre de blastes de LAM pouvant être convertis en CD varie fortement d’un individu à l’autre, si bien que la fraction relative de CD dérivées de la LAM dans le produit cellulaire thérapeutique final peut aller de 2 à 70 % [13]. Une standardisation précise des produits sanguins pour ce type de vaccin est donc pratiquement impossible.

La principale raison pour laquelle l’utilisation de CD dérivées de la LAM à des fins thérapeutiques ne serait plus justifiée réside probablement dans le fait que l’action de ces vaccins ne peut pas être garantie. En effet, compte tenu de leur origine leucémique, les CD dérivées de la LAM ne sont souvent pas capables d’agir comme des cellules présentatrices d’antigènes à part entière. Un dysfonctionnement de ces cellules a été constaté au niveau des trois signaux nécessaires à l’induction d’une réponse immunitaire T_H1 (souhaitable pour l’immunité antitumorale) [10]. Une étude récente a par ailleurs révélé que les CD dérivées de la LAM produisent de l’indoléamine 2,3 dioxygénase (IDO), une enzyme impliquée dans l’induction des lymphocytes T régulateurs. Ces cellules peuvent empêcher activement l’induction d’une réponse immunitaire antileucémique efficace [14]. Dans ce cas, la vaccination par CD dérivées de la LAM pourrait avoir l’effet inverse de celui escompté, à savoir l’induction d’une tolérance immunitaire au lieu de la stimulation d’une immunité antitumorale.

Cellules dendritiques dérivées de monocytes

La possibilité de réaliser des cultures de CD à partir de cellules précurseurs non leucémiques a remis encore un peu plus en question l’application de la vaccination par CD dérivées de la LAM. Tant les cellules souches hématopoïétiques CD34+ que les monocytes du sang périphérique CD14+ peuvent être utilisés pour la préparation in vitro de vaccins à base de CD. L’emploi des monocytes est particulièrement attractif, dans la mesure où ces cellules peuvent être recueillies relativement simple et en nombre suffisant au moyen d’une leucaphérèse. Ces dernières années, des progrès considérables ont été accomplis sur le plan du développement de systèmes d’isolement cellulaire permettant, à l’échelle clinique et de façon presque totalement automatique, de séparer les monocytes de la fraction de PBMC restante dont est constitué un produit de leucaphérèse (étape 1, figure 2) [4].

Pour générer des CD in vitro à partir de monocytes, on utilise la plupart du temps un protocole en deux étapes qui s’étale sur une semaine environ. La première étape consiste à induire la différenciation des monocytes en CD immatures via l’administration par voie exogène de cytokines telles que le granulocyte macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) et l’IL-4 (étape 2, figure 2) [15]. Dans la mesure où l’état de maturation des CD détermine le résultat de la réponse immunitaire induite, la seconde étape consiste à activer les CD. Pour ce faire, des cytokines pro-inflammatoires ou des signaux de danger immunostimulants, tels que des ligands des récepteurs Toll-like (« Toll-like receptor » ou « TLR ») (étape 3, figure 2) peuvent être utilisés [15].

Contrairement aux CD dérivées de la LAM, qui expriment d’elles-mêmes des antigènes leucémiques, les CD dérivées de monocytes doivent être chargées avec des antigènes tumoraux avant d’être administrées (étape 4, figure 2). La technique la plus simple consiste à charger (impulsions) les molécules CMH des CD avec des peptides antigéniques par voie exogène [16]. L’inconvénient majeur de cette procédure est que l’immunité induite ne cible qu’un seul epitope. Cela accroît considérablement le risque de perte d’efficacité du vaccin en cas de modification d’expression de l’épitope par les cellules leucémiques lors d’une dérive antigénique. C’est pourquoi il convient toujours d’essayer d’induire une réponse immunitaire aussi variée que possible, de préférence ciblée contre plusieurs antigènes ou, au moins, contre plusieurs épitopes [16]. Par exemple, l’introduction d’un ARN messager (ARNm) qui code pour un antigène leucémique particulier au sein des CD est un procédé utilisé [17]. De cette manière, les CD sont capables de décoder l’ensemble de la protéine antigénique à partir de l’ARNm, puis de la fractionner en plusieurs fragments épitopiques qui sont alors transportés vers la surface cellulaire pour être présentés par la suite aux lymphocytes T via les molécules CMH. Il existe différentes méthodes d’introduire de l’ARNm dans des CD. L’une d’entre elles est l’électroporation, une technique qui consiste à créer des pores dans la membrane cellulaire à l’aide d’une brève impulsion électrique pour permettre à l’ARNm de pénétrer dans la cellule [17]. Notre groupe de recherche a acquis une expérience préclinique et clinique approfondie dans le domaine de l’électroporation de CD dérivées de monocytes avec de l’ARNm codant pour WT1 [9, 17]. Dans une étude que nous avons récemment publiée, nous avons pu démontrer que l’administration de vaccins à base de CD électroporées avec de l’ARNm codant pour WT1 à des patients LAM en rémission peut en effet induire une immunité protectrice contre plusieurs épitopes de WT1 [9]. Parmi les autres techniques de charge antigénique visant à induire une réponse immunitaire spécifique dirigée contre plusieurs antigènes et/ou contre plusieurs épitopes, citons la charge des CD avec des lysats cellulaires ou cellules leucémiques apoptotiques et la fusion des CD avec des blastes de LAM. Ces dernières ne seront pas abordées dans cet article.

Une fois « chargées » avec un ou plusieurs antigènes leucémiques, les CD peuvent être utilisées chez le patient. Étant donné que la réponse immunitaire est induite dans les ganglions lymphatiques, les vaccins à base de CD sont généralement administrés à proximité des territoires ganglionnaires superficiels [15] (étape 5, figure 2). La vaccination se fait la plupart du temps par voie intradermique, car ce mode d’administration offre les meilleures chances de migration efficace des CD vers les ganglions lymphatiques [4].

Efficacité clinique de la vaccination anti-LAM par cellules dendritiques

L’expérience clinique dans le domaine de la vaccination par CD chez des patients atteints de LAM se limite à quelques études de phase I ou II non randomisées de petite envergure (tableau 1). Pour l’instant, aucune preuve clinique issue d’études de phase III n’est disponible. Néanmoins, les résultats des études actuellement disponibles permettent cependant de tirer plusieurs conclusions préliminaires majeures.

Tableau 1 Essais cliniques utilisant les cellules dendritiques dans la leucémie aiguë myéloïde.

CS : cellules souches ; CD CD34+ : CD dérivées de cellules souches hématopoïétiques CD34+ ; CD mo : CD dérivées de monocytes ; CD LAM : CD dérivées de blastes leucémiques ; LAM : leucémie aiguë myéloïde ; WT1 : protéine Wilms’ tumor 1 ; n.a. : non applicable ; ARNm : acide ribonucléique messager ; hTERT : transcriptase inverse de la télomérase humaine ; n : nombre de patients ; Réf. : référence correspondante.

Toutes les études publiées jusqu’à présent indiquent que la vaccination par CD est un procédé thérapeutique sécurisé pour le patient. Une toxicité significative sous la forme d’effets secondaires de grades 3 et 4 n’est généralement pas constatée. Etant donné que le point de départ de cette modalité de traitement est de nature immunologique, il convient de rester attentif au risque d’induction d’une auto-immunité. En pratique, ce risque se limite à quelques rares cas rapportés de thrombocytopénie immunomédiée [9, 18] et d’élévation du titre des anticorps [12].

La majorité des études ont pu démontrer l’immunogénicité des vaccins anti-LAM à base de CD. Le principe immunologique de base de la vaccination par CD, à savoir la capacité des CD chargées avec des antigènes de la leucémie à induire une reaction immunitaire à médiation cellulaire T dirigée spécifiquement contre ceux-ci, a par ailleurs pu être démontrée de manière formelle [9]. Il convient toutefois de préciser qu’une réaction immunitaire ne peut pas être déclenchée chez tous les patients vaccinés. En outre, l’induction d’une immunité spécifique de la leucémie n’est pas toujours garante d’une réponse clinique [9, 12], ce qui laisse penser que les cellules de la LAM peuvent dans certains cas échapper à l’immunité induite par le vaccin (ce que l’on appelle l’« évasion immunitaire »). Un mécanisme d’évasion immunitaire possible est l’induction de lymphocytes T régulateurs, dont on sait déjà qu’ils peuvent, in vivo, inhiber l’effet des CTL réagissant contre la leucémie [12].

Concernant l’efficacité clinique, plusieurs tendances nettes se dessinent également. Ainsi, la vaccination par CD semble peu efficace, voire inefficace, chez les patients en proie à une récidive agressive de la maladie ou chez les patients en phase palliative qui ne bénéficient plus d’autres traitements co-administrés. Dans de tels cas, on peut tout au plus espérer une stabilisation transitoire de la maladie, mais en aucun cas des effets cliniques durables (tableau 1). Selon les données disponibles, la vaccination par CD a un rôle à jouer dans le traitement de la LAM en rémission. Autrement dit, elle doit être considérée comme une stratégie adjuvante de prévention des récidives chez les patients qui ont reçus une chimiothérapie d’induction et/ou de consolidation conventionnelle et qui ne sont pas des candidats à l’allogreffe de cellules souches [1]. Pour ce groupe de patients, l’efficacité antileucémique clinique de la vaccination par CD a été suggérée [9]. Notre expertise dans le domaine de la vaccination par CD électroporées avec de l’ARNm codant pour WT1 pour les LAM en rémission, nous apprend ainsi que cette approche permet de maintenir l’état de rémission chez environ la moitié des patients [19]. Pour neuf des 17 patients suivis, la normalisation de l’expression de l’ARN codant pour WT1 dans le sang périphérique ou dans la moelle osseuse, un marqueur de MRM [5], a pu être obtenue. Chez deux tiers des patients présentant des signes morphologiques de maladie résiduelle, l’état de rémission partielle a pu être converti en RC grâce aux vaccinations par CD séquentielles [19] (tableau 1). Ces résultats montrent donc que la vaccination par CD a la capacité d’induire une RC et durable et de prévenir une récidive de la leucémie chez une proportion non négligeable des patients.

Conclusions et perspectives d’avenir

Ces résultats prometteurs suggèrent que la vaccination par CD peut constituer un renfort de taille dans l’arsenal thérapeutique pour la prise en charge de la LAM. Sur la base des résultats d’études, la vaccination par CD semble se positionner essentiellement comme une stratégie de seconde ligne permettant de contrôler ou d’éliminer une MRM après l’obtention d’une RC avec la chimiothérapie conventionnelle. Elle est de préférence réservée aux patients présentant un risque élevé de récidive et pour lesquels une allogreffe de cellules souches hématopoïétiques ne peut être proposée (par exemple en raison de leur âge). Les patients chez qui la maladie est active et ayant souvent une compétence immunitaire amoindrie semblent être des candidats moins appropriés pour cette forme d’immunothérapie [1].

Des efforts constants sont nécessaires afin d’augmenter l’efficacité des vaccins à base de CD. En outre, il convient de se concentrer simultanément sur deux aspects [1] :

• -. la poursuite de l’optimalisation du procédé de préparation in vitro des vaccins à base de CD afin de générer des CD encore plus immunogéniques, d’une part ;
• -. les mécanismes d’évasion immunitaire qui permettent à la cellule de la LAM d’éviter la réponse immunitaire induite par le vaccin, d’autre part.

Nous espérons que cela nous permettra d’induire une réponse immunitaire antileucémique encore plus forte à l’avenir, permettant ainsi de renforcer l’efficacité clinique.

Pour que cette forme d’immunothérapie puisse être intégrée avec succès dans la pratique clinique quotidienne, sa faisabilité pratique et financière doit également être améliorée. La préparation de vaccins à base de CD requiert en effet la disponibilité des unités de production dans lesquelles la qualité de l’air est contrôlée (salles blanches), des équipements de laboratoire de haute technologie et du personnel spécialisé. La culture in vitro de CD à partir de cellules précurseurs, comme décrite dans la figure 2, est un procédé relativement complexe, chronophage et nécessitant un travail considérable, qui fait appel à des réactifs onéreux (par exemple cytokines, agents stimulant la maturation). Tous ces facteurs contribuent au coût relativement élevé de cette technologie [1]. Partout dans le monde, d’énormes efforts sont par conséquent consentis pour optimiser, accélérer et rentabiliser le processus de production des vaccins. Le raccourcissement du temps de culture des CD à 48-72 heures [15] et l’utilisation de CD endogènes circulant dans le sang périphérique au lieu de CD cultivées à partir d’une cellule précurseur [20] sont quelques-unes des évolutions importantes à cet égard. Ces dernières années ont également été marquées par la recherche intensive d’un moyen de passer d’un processus de préparation des vaccins ex vivo à une approche in vivo, en essayant d’activer des CD endogènes et de les charger avec un antigène [21].

Si l’on parvient à éliminer les points problématiques susmentionnés, la vaccination par CD pourrait jouer un rôle significatif dans le traitement de la LAM au xxi^e siècle.

Conflits d’intérêts

les auteurs sont co-investigateurs de l’essai clinique de phase I/II sur la vaccination par CD électroporées avec de l’ARNm codant pour WT1 en phase de post-rémission de la LAM, mentionné dans la référence bibliographique [9].

Remerciements

Nos remerciements vont à Sophie Servais pour effectuer la relecture du manuscrit. Ce document a pu être réalisé grâce au soutien financier du Fonds de la Recherche Scientifique - Flandre (FWO), de la Fondation contre le Cancer (Belgique), de la Ligue flamande contre le cancer (VLK), de l’Action 29 du Plan Cancer (Belgique) et de la fondation d’utilité publique VOCATIO (Belgique). S.A. bénéficie d’un mandat d’Aspirant du Fonds de la Recherche Scientifique - Flandre (FWO).

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