BCG-THERAPIE ET CANCER DE LA VESSIE : LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION DE LA REPONSE IMMUNE AU BCG DANS LA VESSIE REVELENT DES STRATEGIES POUR L'AMELIORATION DE LA REPONSE ANTI-TUMORALE

Intravesical instillation of bacillus Calmette-Guérin (BCG) for non-muscle invasive bladder cancer is one of the few examples of successful immunotherapy in the clinic, with 50-70% treatment response. While success of therapy is known to rely on repeated instillations of live BCG, administered as adjuvant therapy shortly after tumor resection, its precise mechanisms of action remain unclear. I established an experimental mouse model to study the dynamics of the immune response following intravesical BCG regimen. Based on experimental work in humans, I focused my attention on the establishment of a robust acute inflammatory response, together with the activation and recruitment of T lymphocytes. I demonstrated that BCG dissemination to bladder draining lymph nodes and priming of interferon-!-producing T cells could occur following a single instillation. However, repeated instillations with live BCG were necessary for a robust T cell infiltration into the bladder. Interestingly, subcutaneous immunization with BCG prior to instillation overcame this requirement, triggering a more robust acute inflammatory process following the first intravesical instillation and accelerating T cell entry into the bladder, as compared to the standard protocol. Moreover, subcutaneous immunization with BCG prior to intravesical treatment of an orthotopic tumor dramatically improved response to therapy. These data prompted analysis of clinical data, which showed a significant difference in recurrence-free survival, favoring those patients with sustained pre-existing immunity to BCG. In parallel, using clinical and in vitro experimental data, I contributed to the construction and parameterization of a stochastic mathematical model describing the interactions between BCG, the immune system, the bladder mucosa and tumor cells. First, we could show that tumor extinction mediated by the innate immune system acting on its own is an unlikely occurrence, as it would require a bystander killing capacity per innate effector cell that is much higher than suggested by experimental data. Second, we refined our mathematical model to take into account the adaptive immune response, and evaluated optimal clinical parameters of BCG induction therapy, including (i) duration between resection and the first instillation, (ii) BCG dose, (iii) indwelling time, and (iv) treatment interval of induction therapy, which all had an impact on the probability of tumor extinction. A remarkable finding is that an inter-instillation interval two times longer than the seven-day interval used in the current standard of care would substantially improve treatment outcome. Together these data provide new insights into a long-standing clinically effective immunotherapeutic regimen and predict strategies that may improve patient management. Most importantly, I suggest that monitoring patients' response to purified protein derivative (PPD) test, and, if negative, boosting BCG responses by parenteral exposure prior to intravesical treatment initiation, may be a safe and effective means of improving intravesical BCG-induced clinical responses.L'instillation intravésicale de bacilles de Calmette et Guérin (BCG) comme traitement adjuvant du cancer de la vessie non invasif du muscle est l'un des seuls exemples de réussite d'une immunothérapie à la clinique, avec des taux de réponse de 50-70 %. S'il est établi que le succès de la thérapie repose sur des injections répétées de BCG vivant, administré peu après la résection chirurgicale de la tumeur, ses mécanismes d'action n'ont pas été définis précisément. Au cours de ma thèse, j'ai établi un modèle expérimental de souris pour étudier la dynamique de la réponse immune induite par l'administration intravésicale de BCG. Au vu d'un certain nombre de travaux chez l'homme, j'ai concentré mon attention sur l'établissement du processus inflammatoire aigu, ainsi que sur l'activation et le recrutement des lymphocytes T. Je démontre qu'une seule instillation de BCG est suffisante pour induire la dissémination du BCG dans les ganglions lymphatiques drainant la vessie et l'activation de lymphocytes T produisant de l'interféron gamma. Cependant, des instillations répétées de BCG vivant sont nécessaires pour obtenir une robuste infiltration de lymphocytes T dans la vessie. Toutefois, je montre qu'une immunisation préalable des souris par voie sous-cutanée conduit à un processus inflammatoire aigu accentué dès la première instillation et accélère le recrutement des lymphocytes T dans la vessie, par rapport au protocole standard. En outre, l'immunisation préalable des souris par voie sous-cutanée améliore de façon substantielle leur réponse à la BCG-thérapie, dans un modèle d'implantation orthotopique de cellules tumorales. Enfin, l'analyse de données cliniques révèle un avantage statistiquement significatif pour les patients qui ont la signature d'une réponse immune au BCG préalablement à la thérapie intravésicale. Par ailleurs, utilisant des données cliniques et expérimentales, j'ai contribué à la construction et au paramétrage d'un modèle mathématique stochastique décrivant les interactions entre le BCG, le système immunitaire, la vessie et les cellules tumorales. Nous avons tout d'abord montré qu'il était très improbable que l'extinction tumorale puisse être médiée seulement par l'immunité innée, car cela exigerait une capacité de tuer par effet bystander bien plus élevée que celle observée expérimentalement chez les cellules effectrices de l'immunité innée. Nous avons ensuite raffiné notre modèle pour qu'il prenne aussi en compte l'immunité adaptative. Nous avons alors utilisé ce deuxième modèle pour évaluer les paramètres cliniques optimaux pour la BCG thérapie, et parmi eux (i) le délai entre la résection chirurgicale et la première instillation, (ii) la dose de BCG, (iii) le temps de contact du BCG avec la vessie et (iv) l'intervalle de temps entre deux injections répétées de BCG. Tous ces paramètres ont un impact sur la probabilité d'extinction tumorale, et, notablement, la multiplication par deux du délai entre deux instillations améliorerait très favorablement le taux de réponse au traitement. L'ensemble de ces données contribue à éclairer sous un jour nouveau une immunothérapie utilisée en clinique depuis longtemps et prédit des stratégies qui pourraient contribuer à améliorer le soin des patients. Notamment, je suggère que la pratique d'un test tuberculinique sur les patients préalablement à la thérapie intravésicale, suivie de l'immunisation parentérale par le BCG des patients négatifs pour le test, pourrait être une méthode sûre et efficace pour améliorer la réponse clinique induite par les instillations intravésicales de BCG