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# Détournement d'une bactérie commensale pour la vaccination anti-tumorale

Nesrine Mabrouk<fnref n="1" />, Fanny Mejean<fnref n="1" />, Corinne Tanchot<fnref n="1" />, Éric Tartour<fnref n="1" />,<fnref n="2" />

## Staphylococcus epidermidis : une bactérie commensale capable d'induire des lymphocytes T CD8+

Les millions de bactéries, virus et champignons présents à la surface de notre épiderme constituent la flore commensale de la peau. Staphylococcus epidermidis est une bactérie extracellulaire non pathogène chez les individus non immunodéprimés. Elle est présente notamment sur la peau, où elle joue un rôle contre la dissémination de certains microorganismes pathogènes. Les travaux de recherche du groupe dirigé par Yasmina Belkaid ont montré que cette bactérie appliquée directement sur la peau, chez la souris et chez un primate non humain, pouvait induire une réponse de lymphocytes T CD8⁺ [1, 2]. Ce résultat était inattendu car on considère généralement que les bactéries extracellulaires induisent plutôt une réponse immunitaire humorale. Dans la continuité de ces travaux, et en raison du rôle connu des lymphocytes T CD8⁺ dans la vaccination anti-tumorale, le même groupe de chercheurs a modifié cette bactérie pour qu'elle exprime des antigènes tumoraux [3].

## La bactérie S. epidermidis modifiée pour lui faire synthétiser des antigènes tumoraux protège contre le développement de tumeurs

En modifiant génétiquement S. epidermidis pour qu'elle exprime l'ovalbumine ou des antigènes mutés dérivés de mélanomes ou de cancers de la

prostate, les auteurs ont montré que l'application cutanée de cette bactérie ainsi modifiée protégeait les animaux contre le développement de tumeurs primaires (mélanomes et cancers de la prostate), mais aussi métastatiques dans les poumons (dans ce cas, l'effet était observé après une application prophylactique ou thérapeutique de la bactérie modifiée). Les animaux préalablement colonisés et protégés par la bactérie modifiée étaient également résistants à une nouvelle greffe tumorale, ce qui témoignait de l'induction d'une réponse mémoire par la vaccination. Ce mode de vaccination peut agir en synergie avec l'administration d'anticorps anti-PD-1 ou anti-CTLA-4, des immunothérapies utilisées en cancérologie humaine, ce qui laisse entrevoir la possibilité de nouvelles combinaisons thérapeutiques. Différents essais cliniques récents de phase II chez des patients présentant un mélanome ou un cancer du col de l'utérus associé aux papillomavirus ont également montré l'existence d'une synergie entre une vaccination par des acides nucléiques (ARN ou ADN) ciblant des antigènes mutés ou des protéines virales, et l'administration de l'anticorps anti-PD-1 [4, 5].

## Les lymphocytes T CD8⁺ sont impliqués dans l'effet antitumoral de la vaccination par la bactérie S. epidermidis modifiée

Afin de documenter le mécanisme à l'origine du succès de cette vaccination, les auteurs ont montré, à l'aide

d'un antigène modèle, l'ovalbumine, que l'application cutanée de S. epidermidis exprimant l'ovalbumine ou des peptides immunodominants CD4 ou CD8 dérivés de l'ovalbumine induisait une réponse lymphocytaire T CD8⁺ spécifique de cet antigène. Contrairement à d'autres modes de vaccination, cette réponse lymphocytaire n'était accompagnée d'aucune inflammation, infection, ou rupture de la barrière épithéliale, ce qui confère à l'utilisation de cette bactérie un profil de sécurité rassurant. Après l'application cutanée de la bactérie modifiée, ces lymphocytes T CD8⁺ sont retrouvés dans les ganglions lymphatiques drainant la zone d'application, ainsi qu'à distance, et l'élimination de ces lymphocytes supprime l'effet anti-tumoral.

Cependant, par rapport à d'autres modes de vaccination, notamment la vaccination par injection d'un ARN, seule ou combinée à l'injection d'un vecteur viral recombinant selon un protocole « première immunisation-rappel hétérologue » (prime-boost), il semble que l'intensité de la réponse lymphocytaire induite par l'application cutanée de S. epidermidis soit moindre, car mesurée le plus souvent à moins de 1 % de tétramères positifs en cytométrie de flux<fnref n="1" /> [6]. Par comparaison avec une vaccination par l'ovalbumine mélangée à l'adjuvant

<footnote n="1">¹Université Paris Cité, Inserm U970, PARCC, Paris, France.</footnote>

<footnote n="2">²Département d'immunologie, hôpital européen Georges Pompidou-hôpital Necker, AP-HP, Paris, France.
eric.tartour@aphp.fr</footnote>

<footnote n="1">¹ La méthode des tétramères permet de détecter (et de quantifier) les lymphocytes T spécifiques d'un antigène donné par marquage direct de leur récepteur de l'antigène (T cell receptor, TCR) avec un complexe de quatre molécules (tétramère) du complexe majeur d'histocompatibilité préalablement chargées de l'épitope d'intérêt. La liaison de ce tétramère (couplé à un fluorochrome) au TCR est détectée par cytométrie en flux.</footnote>
complet de Freund<fnref n="2" />, l'induction de lymphocytes T CD8⁺ dans la rate par l'application cutanée de S. epidermidis exprimant l'ovalbumine semble aussi moins importante. On peut regretter que les auteurs n'aient analysé que la réponse des lymphocytes T CD8⁺ dirigée contre l'ovalbumine et pas celle contre les néo-antigènes (produits de gènes mutés), qui représentent aujourd'hui les antigènes tumoraux les plus utilisés pour la vaccination antitumorale chez l'homme [7].

Les auteurs ont montré que l'immuni-
sation par une bactérie modifiée pro-
duisait une réponse de lymphocytes T
CD8⁺ de type effecteurs-mémoire. Cela
pourrait expliquer l'efficacité de cette
vaccination, car ces lymphocytes ont
généralement une capacité cytotoxique
contre la tumeur plus importante que
les lymphocytes de type mémoire cen-
trale (présents principalement dans les
organes lymphoïdes), qui sont induits de
façon naturelle lorsque l'on greffe une
tumeur exprimant l'ovalbumine à une
souris, sans vaccination associée. Une
autre sous-population de lymphocytes
T CD8⁺, appelés lymphocytes T résidents
à mémoire (T<sub>RM</sub>), définie par l'expres-
sion de CD103, CD69 et CD49a, joue un
rôle que l'on considère de plus en plus
important dans l'efficacité de la vacci-
nation anti-tumorale, particulièrement
lorsque celle-ci cible des muqueuses,
comme c'est le cas notamment dans
le cancer du poumon [8]. Il aurait été
intéressant de montrer que les lympho-
cytes T CD8⁺ induits avaient un profil de
type T<sub>RM</sub> dans ces modèles tumoraux,
ce que ces auteurs et d'autres avaient
d'ailleurs montré dans des études pré-
cédentes [1].

Autres mécanismes d'action de cette
vaccination anti-tumorale reposant
sur S. epidermidis modifiée

Même si les auteurs ont mis en évidence
le rôle des lymphocytes T CD8⁺ dans
l'efficacité anti-tumorale de cette vac-
cination, il semble que d'autres méca-
nismes soient requis pour provoquer
la régression des tumeurs. En effet, si
l'antigène tumoral est présent dans
le cytosol des bactéries modifiées et
pas dans leur membrane, l'induction de
lymphocytes T CD8⁺ ne s'accompagne
plus d'une protection tumorale. Par ail-
leurs, si les bactéries modifiées n'expri-
ment qu'un seul épitope CD8 ou CD4 de
l'ovalbumine, on n'observe pas non plus
d'effet anti-tumoral. Ces expériences
indiquent donc la nécessité d'une coo-
pération entre ces deux populations de
lymphocytes T, CD8⁺ et CD4⁺, pour l'inhi-
bition de la croissance tumorale. Enfin,
pour que la bactérie modifiée ait une
action anti-tumorale, elle doit être ino-
culée vivante : une colonisation active
du tissu est donc nécessaire [3].

Les auteurs ont également apporté la
preuve que la colonisation de la peau
par S. epidermidis sans expression de
l'antigène tumoral ne suffit pas à empê-
cher la croissance de la tumeur, ce qui
ne corrobore pas les résultats d'autres
travaux de recherche dans lesquels la
colonisation par des bactéries de géno-
type « sauvage » issues du microbiote
intestinal suffisait à induire des lym-
phocytes T CD8⁺ et à améliorer l'effica-
cité de l'immunothérapie [9, 10]. Dans
d'autres cas, un mimétisme moléculaire
entre des antigènes tumoraux et la bac-
térie de génotype « sauvage » a été
rapporté pour expliquer le rôle du micro-
biote dans l'amélioration de l'efficacité
de la vaccination et de l'immunothéra-
pie anti-tumorales [11]. Les résultats de
précédents travaux de recherche avaient
montré que S. epidermidis induisait une
réponse de lymphocytes T CD8⁺ avec
un profil de type Tc1 car produisant
de l'interféron γ, et de type Tc17 car
produisant de l'interleukine-17 [1].
Une réponse de type Tc17 est d'ailleurs

retrouvée avec de nombreuses bactéries
commensales de la peau, et a été impli-
quée dans l'inhibition de la croissance
tumorale. S. epidermidis était égale-
ment capable d'induire des lymphocytes
T CD8+ restreints par des molécules HLA
de classe I non polymorphe (MHC1b) de
type H2-M3 chez la souris [2]. Enfin,
S. epidermidis augmente l'expression
des alarmines S100A8 et S100A9, qui
sont impliquées dans le recrutement des
granulocytes neutrophiles, capables de
moduler la croissance tumorale [12].
Il est donc surprenant qu'aucun de ces
différents effecteurs anti-tumoraux
n'ait été retrouvé après la vaccination
par S. epidermidis modifiée, d'autant
plus que la même souche de S. epi-
dermidis (NIHLM087) semble avoir été
utilisée pour les travaux de recherche
précédents, ce qui élimine une explica-
tion possible. Il se peut que l'expression
d'antigènes exogènes par la bactérie
modifie le profil de la réponse immuni-
taire induite, par rapport à la bactérie
non modifiée.

Originalité et avantages de ce mode
de vaccination

Le principal avantage de cette stra-
tégie de vaccination anti-tumorale
reposant sur l'utilisation d'une bactérie
commensale est sa relative innocuité
puisqu'elle ne déclenche pas de réac-
tion inflammatoire. Néanmoins, en rai-
son du risque d'infection nosocomiale
chez les sujets immunodéprimés, elle
est contre-indiquée pour cette popula-
tion d'individus. Des microorganismes
pathogènes recombinants, comme des
virus ou des bactéries intracellulaires
(Listeria), avaient précédemment été
utilisés pour vectoriser l'antigène tumo-
ral dans l'élaboration de vaccins anti-
tumoraux, mais l'utilisation de bactéries
commensales pour cette application
n'avait encore jamais été rapportée.
L'application cutanée de la bactérie
commensale modifiée est plus simple
que l'injection intramusculaire ou intra-
veineuse des précédents vecteurs déri-
vés de microorganismes pathogènes,

<footnote n="2">² L'adjuvant complet de Freund désigne l'émulsion simple d'une solution d'huile minérale contenant en plus des mycobactéries tuées. Lorsqu'il est injecté en mélange avec l'immunogène (dans ce cas, l'ovalbumine), il renforce la réaction immunitaire.</footnote>
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<figure><img src="image_3.png" /></figure>

**Figure 1.** Induction de lymphocytes T à activité anti-tumorale par application cutanée de bactéries modifiées exprimant des antigènes tumoraux. La souche de Staphylococcus epidermidis modifiée pour lui faire exprimer des antigènes tumoraux (ovalbumine, néoantigènes) a été appliquée sur la peau de la souris. Ces antigènes sont donc pris en charge par des cellules dendritiques, qui migrent vers les ganglions drainants et induisent une activation des lymphocytes T (LT) CD8+ et CD4+. Ces derniers sont capables d'éliminer différentes tumeurs primaires greffées sous la peau de l'animal (mélanome B16-F10, cancer de la prostate non orthotopique Tramp-C2), ou des métastases pulmonaires induites après injection intraveineuses des cellules cancéreuses. Cette efficacité anti-tumorale existe après une vaccination prophylactique ou une vaccination thérapeutique. Elle entraîne une réponse mémoire protégeant les animaux guéris en cas de nouvelle greffe tumorale (figure réalisée à l'aide du logiciel Biorender).

lesquels déclenchent en outre une réaction inflammatoire. De plus, ils risquent d'induire la production d'anticorps dirigés contre le vecteur, qui le neutraliseraient lors d'injections ultérieures. Comme les bactéries commensales semblent résider durablement dans la peau, il ne semble pas qu'elles soient éliminées par la réponse humorale. Néanmoins, il conviendra de le vérifier aussi pour ces bactéries commensales modifiées pour exprimer des antigènes exogènes.

## Perspectives

Même si *S. epidermidis* est présente sur la peau et dans le tube digestif chez l'homme, et malgré la mise en évidence d'une réponse immunitaire induite par l'application de la bacté-

rie modifiée chez le macaque, on ne peut pas encore savoir si l'utilisation de cette bactérie est optimale pour induire une réponse immunitaire anti-tumorale chez l'homme. La flore commensale digestive de l'individu semble influencer la réponse immunitaire aux vaccins prophylactiques anti-infectieux et aux vaccins thérapeutiques anti-tumoraux contre des néo-antigènes ou des virus associés aux tumeurs [13], et elle pourrait donc également interférer avec ce nouveau type de vaccin anti-tumoral par voie cutanée. On peut aussi craindre une compétition entre la flore cutanée endogène et la bactérie commensale modifiée utilisée pour la vaccination. La réponse immunitaire varie considérablement entre les différentes bactéries

commensales, et même pour une même souche bactérienne. Outre la réponse lymphocytaire T effectrice décrite ci-dessus, d'autres bactéries commensales, comme certaines espèces de *Clostridium*, peuvent induire des lymphocytes T régulateurs [14], ce qui permet d'envisager d'utiliser également certaines de ces bactéries pour traiter des maladies auto-immunes.

Enfin cette stratégie originale de vaccination anti-tumorale s'inscrit dans un renouveau de l'immunothérapie anti-tumorale reposant sur le développement de la plateforme vaccinale ARNm, l'utilisation de néo-antigènes dérivés de la tumeur plus immunogènes, et l'association de ces vaccins anti-tumoraux avec l'administration d'anticorps dirigés contre des molécules impliquées dans les points de contrôle immunitaire [4, 5, 7]. La société Moderna a d'ailleurs fait une première demande d'enregistrement par la Food and drug administration (FDA) américaine pour un vaccin à ARN ciblant des néo-antigènes tumoraux, utilisé en association avec l'injection d'un anticorps anti-PD-1 chez des patients présentant des mélanomes à haut risque de récidive après leur exérèse chirurgicale. ◇ Hijacking commensal flora for anti-tumour vaccination

## LIENS D'INTÉRÊT

Les auteurs déclarent n'avoir aucun lien d'intérêt concernant les données publiées dans cet article.

## RÉFÉRENCES

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8. Karaki S, Blanc C, Tran T, et al. CXCR6 deficiency impairs cancer vaccine efficacy and CD8+ resident

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9. Tanoue T, Morita S, Plichta DR, et al. A defined commensal consortium elicits CD8 T cells and anti-cancer immunity. *Nature* 2019; 565: 600-5.

10. Derosa L, Routy B, Desilets A et al. Microbiota-centered interventions: The next breakthrough in immuno-oncology? *Cancer Discov* 2021; 10: 2396-412.

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