Introduction – Les 6 propriétés fondamentales des tumeurs
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C21-22, Pr. PANCREACH Cours du 07/10/11 de 16h à 18h Master Physiopathologie Cellulaire & Moléculaire DCEM 1 DELMAS Nicolas et FAUDI Emilien ________________________________________________________________________________ Le microenvironnement tumoral Introduction – Les 6 propriétés fondamentales des tumeurs En 2000, une publication de Hanahan et Weinberg dans Cell, fait l’état des lieux en cancérologie. A l’époque l’essentiel des travaux sont focalisés sur les cellules tumorales et cette publication décrit les 6 propriétés fondamentales des tumeurs : 1) Maintien d’un niveau élevé de prolifération et indépendance vis-à-vis des signaux de prolifération. 2) Insensibilité aux signaux antiprolifératifs (en particulier ceux générés par les suppresseur de tumeurs RB ou P53). 3) Invasion et métastases. 4) Capacité à se diviser indéfiniment sans entrer en sénescence. 5) Induction de l’angiogenèse. 6) Résistance à la mort cellulaire. Mais dans cet article on trouve très peu d’information sur le microenvironnement tumoral car assez peu de choses étaient connues. Au cours des 10 dernières années il y a eu une explosion de la recherche dans ce domaine. Cette notion de microenvironnement tumoral (environnement de la tumeur) avait déjà été soulignée à la fin du XIXième siècle par un chirurgien, Stephen Paget, qui avait développé la théorie du « seed and soil » c'est-à-dire la théorie de la graine et du sol. La graine étant la cellule cancéreuse et le sol son microenvironnement. De ses travaux, en particulier sur des nécropsies, il déduit qu’il ne peut pas y avoir de hasard, pour qu’une tumeur pousse (comme une graine puisse se développer) il fallait qu’elle ait un environnement favorable (qu’elle pousse sur le bon sol). Sa démarche : Il réalise 735 nécropsies sur des patientes atteintes d’un cancer du sein. *241 patientes ont des métastases hépatiques. *17 patientes ont des métastases spléniques. Donc dans une très forte majorité des cas les métastases sont hépatiques. A l’époque on se concentre sur la vascularisation (vaisseaux sanguins et lymphatiques) pour expliquer la localisation des métastases. Il montre ici qu’entre ces deux organes il y a un très gros déséquilibre qui ne peut pas s’expliquer par une différence de vascularisation ou de réseau lymphatique. Sa conclusion : Il existe des profils d’organes cibles non aléatoires. L’environnement doit être favorable au développement de la tumeur et donc à la colonisation. Le profil seul de la cellule métastatique ne suffit pas. (la cellule tumorale ne va pas métastaser n’importe ou, il lui faut un environnement favorable pour qu’elle s’arrête et colonise le milieu) C21-22 Page 1 sur 20 Publication de Hanahan et Weinberg (2011) Cette fois ils s’intéressent à la question du microenvironnement tumoral. Conclusion : Le microenvironnement tumoral est évolutif, il n’y a pas un seul microenvironnement tumoral. Au cours de la vie de la tumeur on va avoir un microenvironnement qui permet le développement initial de la tumeur, mais la tumeur, qui participe au développement de ce microenvironnement, va participer à sa modulation et à son remaniement profond. Il va évoluer jusqu’à favoriser les processus invasifs et métastatique, ce qui suppose un remaniement profond de ce microenvironnement par la cellule tumorale et un ensemble d’acteur. Le microenvironnement peut totalement changer, en particulier lorsque la cellule tumorale va migrer à distance et se retrouver dans une niche secondaire ou niche métastatique. (Exemple : une cellule du colon migre dans le foie. Le microenvironnement qu’elle va trouver au niveau du foie et différent de celui du colon.) Au cours de la progression de la maladie, l’environnement tumoral va lui même évoluer et les cellules tumorales participent activement à ce remodelage. - Qu’est ce que le microenvironnement tumoral ? On peut envisager la tumeur comme un organe complexe (plus complexe qu’un organe sain). Le microenvironnement fait intervenir différents acteurs qui vont interagir avec les cellules tumorales et les différents acteurs vont agir entre eux pour favoriser la croissance tumorale, l’invasion et la formation de métastases. Les acteurs : - Les cellules endothéliales (partie vasculaire) - La matrice extracellulaire - Les fibroblastes (forment le stroma tumoral, différents des fibroblastes physiologiques) - Ensemble de cellules du système immunitaire (avec un aspect qui concerne l’immunité innée et l’immunité adaptative) Il existe une balance qui peut inhiber ou favoriser la croissance tumorale. Plan du cours 1. 2. 3. 4. 5. 6. Cellules endothéliales et péricytes : architecture vasculaire er reprogrammation métabolique Fibroblastes associés aux tumeurs La matrice extra-cellulaire Les cellules immunitaires : antagonistes et promoteur de la croissance tumorale Une vision « intégrée » du rôle du microenvironnement dans le processus métastatique Perspective : microenvironnement tumoral et ciblage thérapeutique I) La vascularisation et l’angiogenèse tumorale 1) Le « switch angiogénique » - Dans le processus très précoce de formation des tumeurs (jusque 1-2 mm3), la tumeur naissante peut se passer de vascularisation. Les vaisseaux qui passent naturellement dans l’organe ou se développe la tumeur, vont permettre par simple diffusion d’apporter de l’oxygène et des nutriments aux cellules tumorales. Donc quand la cellule est microscopique la néo-angiogenèse n’a pas de raison d’être activée de façon très puissante. Certaines publications démontrent que dès l’état de quelques cellules transformées les cellules prévoient déjà leur capacité à croitre et à se multiplier et programment déjà un « switch angiogénique » (cela concerne les tumeurs solides et les tumeurs d’origine hématopoïétique). C21-22 Page 2 sur 20 - La vascularisation sert à apporter l’oxygène et les nutriments mais aussi à l’élimination des déchets métaboliques (acides organiques) et du CO2. - L’angiogenèse tumorale reproduit des mécanismes physiologiques. Physiologiquement (ex : pendant l’embryogenèse) il y a des mécanismes qui vont permettre deux types de production de vaisseaux : *La vasculogenèse = formation de tubes de novo, à partir de rien on forme des tubes vasculaires avec des cellules endothéliales. *L’angiogenèse = formation de vaisseaux à partir de bourgeons sur des vaisseaux existants (processus de néovascularisation des tumeurs mais ce processus existe aussi physiologiquement). - Chez l’adulte sain, cette angiogenèse existe également (exemple : cicatrisation, grossesse). La production de vaisseaux par des mécanismes d’angiogenèse est très régulée et dans une situation normale, une fois que l’enfant grandit, l’architecture vasculaire est globalement quiescente (elle reste dans l’état dans lequel elle a été produite initialement). - Dans les tumeurs, activation constante de l’angiogenèse Dans toutes les tumeurs de façon plus ou moins importante on va avoir une activation de l’angiogenèse. Quand une tumeur prolifère elle nécessite en permanence de l’oxygène et des nutriments (production d’énergie) donc pour pouvoir grossir il faut que la cellule induise ce switch angiogénique pour que les vaisseaux puissent lui apporter ce dont elle a besoin. Les facteurs qui interviennent au cours de ce processus : *facteurs pro-angiogéniques, ex : VEGF-A, PDGF, angiopoiétines *facteurs anti-angiogéniques (produit de façon physiologique), ex : TSP-1, angiostatine, endostatine Il y a donc un déséquilibre entre la production de facteurs pro- et anti-angiogéniques qui vont déterminer l’intensité de l’angiogenèse donc la néovascularisation tumorale. - Le switch angiogénique serait activé de façon très précoce. 2) Rôle du VEGF et de ses récepteurs (VEGFR1, VEGFR2, VEGFR3) C21-22 Page 3 sur 20 Il y a une famille de facteurs VEGF, ex : VEGF-A a un rôle central dans l’angiogenèse tumorale mais il existe aussi le VEGF-B, VEGF-C… qui vont agir sur différents types de récepteurs comme VEGFR1, VEGFR2, VEGFR3. Différentes sous populations cellulaires possèdent à leur surface certains récepteurs qui sont exprimés. En fonction des récepteurs à la surface des cellules endothéliales surtout, mais aussi à la surface des cellules tumorales, et du ligand qui va se lier à ce récepteur, la signalisation (via VEGF) va induire différents types de processus : augmentation de la perméabilité vasculaire avec une déstabilisation de l’architecture vasculaire, induction d’un signal de prolifération, induction d’un signal de survie, induction d’un signal de migration, induction de la mobilisation de progéniteurs d’origine hématopoïétique. Une partie du mécanisme de l’angiogenèse est produit à partir de progéniteurs endothéliaux qui se trouvent dans la moelle osseuse. Ces progéniteurs vont pouvoir être appelés par les tumeurs qui vont produire de VEGF qui va être relargué dans la circulation et qui va induire un signal d’appel pour ces progéniteurs endothéliaux pour permettre de former la vascularisation tumorale. 3) Mécanismes de l’angiogenèse Publication de G. Bergers C21-22 Page 4 sur 20 Les vaisseaux sont constitués : *de cellules endothéliales (structure de base des vaisseaux) *de pericytes (autour des cellules endothéliales qui vont donner la stabilité à la structure vasculaire) *d’une membrane basale (entre ces deux types cellulaires, qui constitue une barrière physiologique naturelle et est constituée de composants de la matrice extra cellulaire) Quand on est dans un processus de type cancéreux (croissance tumorale) ou il y a activation du switch angiogénique, il va y avoir un remaniement très profond qui aboutit à de la néoangiogenèse par différents mécanismes. Le mécanisme le plus connu est le bourgeonnement (production de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux existants): A partir d’un vaisseau normal, la cellule tumorale va produire des facteurs (ex : VEGF-A, les angiopoïétines) qui vont avoir pour effet de déstabiliser les pericytes. Ceci va permettre l’ouverture de brèches au niveau de l’endothélium vasculaire et quand les cellules endothéliales (qui vont donner naissance au futur bourgeonnement) vont être libérées entre les pericytes, les signaux produits par les cellules tumorales (ex : VEGF) vont permettre la prolifération des cellules endothéliales et permettre la formation de nouveaux capillaires. Ce sont des néovaisseaux qui constituent la néovascularisation nécessaire à la tumeur pour se nourrir et recevoir de l’oxygène. Cette néovascularisation, qui résulte d’un très fort déséquilibre dans les facteurs pro- et antiangiogéniques produit par la tumeur, va aboutir (après la formation de ces nouveaux tubes) à la production de capillaires qui ont une architecture aberrante. Le fait qu’il y ait une production excessive de facteurs pro-angiogénique qui ne sont pas contrebalancés par des facteurs permettant d’arrêter le processus d’angiogenèse (facteurs antiagiogéniques) entraine une activation permanente du switch angiogénique et la production de vaisseaux anormaux. - Ce qu’on sait aujourd’hui : 1. Le VEGF-A via le récepteur VEGFR2 va avoir un rôle dans la prolifération des cellules endothéliales pour la formation des tubes vasculaires (néovaisseaux). 2. Le VEGF-A via le récepteur VEGFR1 va permettre la formation architecturale des tubes, l’assemblage des cellules endothéliales pour former les tubes. 3. L’angiopoïétine1 (Ang1) via le récepteur Tie2 va permettre le recrutement et la maturation des pericytes. 4. L’angiopoïétine2 via le récepteur Tie2 va avoir un effet opposé, elle va déstabiliser l’endothélium. Comme la cellule tumorale produit ces facteurs en grande quantité, il va y avoir une compétition entre le recrutement/maturation des pericytes et la déstabilisation des pericytes qui va entrainer une architecture tumorale anormale et lacunaire. Il existe d’autres mécanismes d’angiogenèse, également mit en œuvre au cours du processus tumoral, qui sont : l’intussusception et la septation. Ce sont des endobourgeonnements, les cellules endothéliales vont former des septas à l’intérieur des tubes, ce qui va permettre de multiplier les vaisseaux par l’intérieur. C’est un processus totalement différent mais qui pourrait expliquer pourquoi quand on cible par des approches thérapeutiques le bourgeonnement par des anticorps antiVEGF-A, il peut y avoir des échappements thérapeutiques par la mise en action de mécanismes secondaires de type intussusception et septation pour la production d’une néovascularisation. L’agiogenese tumorale génère une architecture vasculaire aberrante : *Les formes et les branchements des vaisseaux sont irréguliers, tortueux. *Les vaisseaux sont discontinus et lacunaires (zone avec des trous : manque de péricytes ou de C21-22 Page 5 sur 20 cellules endothéliales, ces trous permettent la migration des cellules tumorales et la dissémination métastatique) *Flux irréguliers qui ont pour conséquences : Une fuite du sang (du plasma) et donc au niveau tumoral une très forte augmentation de la pression interstitielle qui entraine une compression de la tumeur et des vaisseaux. Un défaut d’acheminement d’O2 et de nutriments pour la tumeur. Globalement, quand on regarde différentes tumeurs, les mécanismes vont être plus ou moins activés. Des tumeurs activent de façon très importante la néoangiogenèse (ex : tumeur du pancréas ou rénale) et d’autres tumeurs qui faiblement activer le switch angiogénique et générer une architecture vasculaire beaucoup moins dense mais toujours aberrante (ex : adénocarcinomes pancréatiques). Avec des vaisseaux anormaux, on génère des défauts d’approvisionnement (surtout en O2). Les globules rouges qui arrivent dans les vaisseaux tortueux ne peuvent pas passer entrainant une hypoxie intratumorale. Dans le cas des tumeurs, l’hypoxie est cyclique et variable dans le temps et dans l’espace. Variable dans le temps car comme l’architecture est en constant remaniement, on a des périodes d’anoxie et de réoxygénation (redilatation des vaisseaux) et variable dans l’espace car toutes les cellules tumorale ne vont pas être soumises à la même pression en oxygène, l’architecture vasculaire aberrante entraine l’irrigation de certains endroits de la tumeur mais pas partout. La pression intratumorale en oxygène est variable en fonction de la localisation des cellules tumorale par rapport à l’arbre vasculaire. Dans une métastase d’une tumeur on va trouver fréquemment au centre de la tumeur des zones de nécrose (anoxie des cellules tumorales), aucune cellule ne peut survivre à 0% en oxygène. Résumé : L’arbre vasculaire intratumoral est anormal, tortueux, lacunaire (troué) avec des branchements irréguliers. La conséquence de cette architecture anormale on a une baisse de la pression en oxygène qui aboutit in fine à la mort des cellules. Ou alors on peut avoir à de faible pression en oxygène, en limite de nécrose, quand l’oxygène arrive à diffuser à une pression qui va être de l’ordre de 1-2% en O2 (8% dans les tissus normaux), une hypoxie intermittente qui ne va pas aboutir à la mort cellulaire parce qu’on est pas en anoxie mais entraine une réactivation secondaire du processus d’angiogenèse. La réactivation secondaire va augmenter la formation de vaisseaux anormaux qui vont permettre, dans les zones bien irriguées, la croissance de la tumeur mais qui vont eux même générer une baisse de la pression en oxygène dans les zones qui ont été formées. C21-22 Page 6 sur 20 4) Marquage des zones hypoxiques d’une tumeur du pharynx Marquage bleu : marquage de l’endothélium des vaisseaux au CD31 Marquage des zones hypoxique : *Marquage de protéine dont l’expression est particulièrement induite dans les zones hypoxiques, ici l’AC IX (vert). *marquage avec injection d’une substance (Pimonidazole) qui va modifier la structure des protéines dans les zones hypoxiques (rouge). →Plus on s’éloigne de la zone vascularisée, plus on voit s’allumer les marqueurs hypoxiques. Donc plus on est a distance des vaisseaux anormaux, moins on va avoir d’oxygène jusqu’à une zone sans marquage qui sont les zones nécrotiques. - Conséquence de l’angiogenèse aberrante : *Une baisse de la pression intratumorale en oxygène, donc une hypoxie intermittente variable dans le temps et l’espace qui nécessite une reprogrammation métabolique. (Rappel : Dans une cellule saine l’ATP est produit dans la mitochondrie. Le cycle de Krebs produit des cofacteurs réduits qui vont être pris en charge par la chaine respiratoire mitochondriale et qui vont permettre de produire l’ATP. Cette production d’énergie (métabolisme oxydatif) nécessite de l’oxygène et l’apport de glucose ou acides gras. Les cofacteurs vont donner des électrons de haute énergie à la chaine respiratoire mitochondriale et l’accepteur final des électrons est l’O2. Donc sans oxygène il n’y a pas de production d’ATP par le cycle de Krebs) C21-22 Page 7 sur 20 En zone hypoxique la cellule tumorale doit mettre en action un programme d’adaptation métabolique qui est directement lié à la modification du microenvironnement tumoral. -Une adaptation est donc nécessaire pour maintenir la production d’ATP • Adaptation dépendante des facteurs HIFs La reprogrammation permet le maintien de la production d’ATP via l’accumulation dans la cellule tumorale de facteur de transcription HIFs (Hupoxia Inducible Factors) (ex : HIF1 et HIF2) Ces facteurs sont stabilisés en cas de baisse de la pression en O2 et vont s’associer à des cofacteurs pour former des complexes de transcription permettant l’induction de l’expression de nombreux gènes. • Adaptation indépendante des facteurs HIFs (mécanismes mal compris) -Conséquences (2): * Un switch métabolique qui va permettre la production d’ATP à une faible pression en O2 (notamment par une activation de la glycolyse qui va avoir une influence sur le microenvironnement tumoral). *Les facteurs HIFs vont induire l’angiogenèse permettant ainsi l’augmentation de l’apport du glucose qui est indispensable pour la cellule produise de l’ATP via la glycolyse. Effet Warburg : Ce switch glycolytique, passage d’un mécanisme oxydatif, respiratoire mitochondrial vers un métabolisme glycolytique aérobie (il reste une pression minimale en O2). 5) Résumé On a une architecture vasculaire anormale qui se forme de façon continue au niveau des tumeurs. Les cellules tumorales ne sont pas irriguées de la même façon selon qu’elles soient proche ou non des vaisseaux. Il se forme alors un gradient en O2 (variable dans le temps et dans l’espace) qui aboutit à une accumulation importante des facteurs HIF. Lorsqu’il n’y a plus d’O2 on a une nécrose du C21-22 Page 8 sur 20 centre des tumeurs et en périphérie on aura des cellules hypoxique avec une capacité de prolifération limité (la glycolyse est moins efficace que le métabolisme respiratoire oxydatif pour produire de l’énergie). Ces cellules sont donc capables de survivre mais très peu de proliférer. Une des conséquences de l’accumulation des facteurs HIFs est l’induction de la glycolyse qui va entrainer une accumulation des acides organiques et donc une baisse du pH dans le microenvironnement tumoral mais aussi l’induction de mécanismes qui aboutissent à une chimio et à une radio résistance. - Les facteurs HIFs Facteurs de transcription hétérodimériques : * sous unité HIFβ (ARNt) qui est exprimé de façon constitutive, ne dépend pas de la pression en O2. * sous unité HIFα, (dont la stabilité est régulée par l’O2 (dépend de la pression en O2). Lorsqu’il y a de l’O2 dans une cellule, la sous unité HIFα va être hydroxylée, ce qui permet le recrutement de facteurs (E3 ubiquitine liguase) qui vont ubiquitinyler la sous unité HIFα qui va être envoyée au protéasome pour y être dégradée et ne peut donc pas s’accumuler. Au contraire, en l’absence d’O2, HIFα ne sera pas hydroxylé et va s’associer à HIFβ pour constituer un hétérodimère qui va s’associer au sein d’un complexe de transcription permettant ainsi l’expression de nombreux gènes entrainant le switch métabolique. Principe du Pet-scan : Injection de 18-FDG (18 fluoro désoxyglucose - dérivé fluorescent du glucose) qui ne peut pas être dégradé par la cellule tumorale, mais va être prit pour du glucose. Les cellules tumorales (avec accumulation de facteurs HIFs) vont induire via HIF1, l’expression de transporteurs du glucose (GLUT1 et GLUT3) dans les cellules tumorales ce qui va permettre de les localiser grâce à la fixation du 18-FDG. C21-22 Page 9 sur 20 6) Switch angiogénique & switch métabolique N.B : Les gènes en verts sont des cibles de HIFs 1 Conséquences de l’accumulation des HIFs : Surexpression des transporteurs du Glucose (GLUT 1 et 3) qui explique la forte avidité des cellules tumorales pour le Glucose. (le 18-FDG se concentre ainsi dans les foyers tumoraux). Induction des enzymes de la glycolyse (et donc augmentation de la production d’ATP par la glycolyse) ce qui majore la production de pyruvate qui sera déviée en lactate par la lactate déshydrogénase A (LDHA). La cellule tamponne le milieu intra-cellulaire : Elle évite une trop forte augmentation de l’acidité qui est due à l’accumulation de déchets organiques dans la cellule tumorale. Pour ce faire elle extériorise le lactate de la cellule par un transporteur (MCT4), et des transporteurs enzymatiques éliminent les H+ de la cellule tandis que d’autres permettent un apport d’HCO3-. Sur la mitochondrie : Dans une cellule normale, le pyruvate est transformé par la pyruvate déshydrogénase (PDH) en acétyl-CoA qui est alors pris en charge par le cycle de Krebs permettant la formation de cofacteurs réduits et d’ATP via la chaîne respiratoire. C21-22 L’accumulation de HIFs1 induit la production de la pyruvate déshydrogénase kinase 1 (PDK1) qui inhibe la pyruvate déshydrogénase. Il n’y a donc plus de production d’Acétyl-Coa ; comme la pression en oxygène diminue, l’activité interne mitochondriale diminue. Page 10 sur 20 Dû à la raréfaction de l’oxygène présent et au non fonctionnement de la chaîne respiratoire, il y a production de dérivés actifs de l’oxygène (ROS, néfaste pour la structure membranaire ou la stabilité du génome (mutations)). Mais HIFs1 va induire la production d’une sous-unité de la chaîne respiratoire mitochondriale qui augmente l’efficacité du transfert des électrons sur l’oxygène et limite ainsi l’augmentation de la production des ROS (donc évite la toxicité due à la diminution de la pression en oxygène). Il y a induction du gène BNIP3 qui induit l’autophagie mitochondriale. La mitochondrie ayant un rôle majeur dans l’apoptose, grâce à ce mécanisme, la cellule cancéreuse diminue sa sensibilité à l’induction de l’apoptose. Tous ces mécanismes découlent d’une modification du microenvironnement vasculaire tumoral. Résumé : La baisse de pression en oxygène (due à l’angiogenèse aberrante) a pour conséquence l’accumulation des facteurs HIFsα qui activent plusieurs centaines de gènes impliqués dans la modification profonde du métabolisme cellulaire. Cela permet une très forte acidification du milieu extracellulaire et a un rôle dans l’induction de l’angiogenèse car les gènes de VEGF, PDGF et de l’angiopoïétine 2 sont induits par HIFs 1. 7) Rôle de l’hypoxie dans la progression tumorale HIFs 1 régule notamment l’expression de gènes (E-cadhérine, Vimentine…) impliqués dans la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). Mais l’hypoxie induit aussi des gènes (chimiokines et métalloprotéases) ayant un rôle dans la migration et l’invasion. C21-22 Page 11 sur 20 8) La transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) La caractéristique des cellules épithéliales est qu’elles sont immobiles (cytosquelette rigide). Or, la plupart des tumeurs proviennent d’un épithélium : Pour migrer elles vont devoir remodeler leur cytosquelette. La cellule épithéliale va subir une transformation phénotypique majeure : - Elle va acquérir un phénotype mésenchymateux et ainsi remodeler son cytosquelette (filopodes, lamellipodes…). - Elle va se dissocier des cellules environnantes par perte de E-cadhérine (perte des jonctions adhérentes). Après avoir migrée et colonisée une niche secondaire, la cellule tumorale va reprendre le phénotype initial de cellule épithéliale. L’acquisition de ce phénotype est réversible 9) Conclusion II) Les fibroblastes associés aux tumeurs Les fibroblastes associés aux tumeurs (CAFs) constituent la plus importante population cellulaire (en nombre) du stroma, après les cellules tumorales. On distingue classiquement : - Les fibroblastes - Les myofibroblastes Les CAFs produisent de nombreux facteurs participant à la croissance et à la progression tumorale : - HGF, EGF, FGF : prolifération - Cytokines (IL-6) : inflammation - Chimiokines (CXCL12) : recrutement des EPCs (pour la néo-angiogenèse) - VEGF, FGF : angiogenèse C21-22 Page 12 sur 20 - HGF, TGFβ : transition épithélio-mésenchymateuse Métalloprotéases : dégradation de la matrice extra-cellulaire Les fibroblastes synthétisent des facteurs qui activent l’angiogenèse aberrante, la prolifération des cellules tumorales, la transformation épithélio-mésenchymateuse (EMT), l’invasion et les signaux de survie (apoptose). Conclusion L’origine des CAFs reste controversée… Une transdifférenciation de fibroblastes en myofibroblastes ? Différenciation de progéniteurs hématopoïétiques (MSCs) ? Expansion clonale de myofibroblastes pré-existants ? Sélection de fibroblastes altérés génétiquement (ex : perte de p53) ? … mais leur rôle central au cours de la croissance / progression est démontré. Rôle de « barrière » des fibroblastes normaux. Une co-injection de fibroblastes normaux avec des cellules tumorales provoque un effet inhibiteur. Intérêt comme cible thérapeutique : Quelles cibles (PDGFR ? α-SMA ? …) Quelles sous-populations ? C21-22 Page 13 sur 20 III) La matrice extra-cellulaire (ECM) La matrice extra-cellulaire est composée principalement de glycoprotéines et de sucres. C’est un ensemble macromoléculaire de soutien qui sert de support aux cellules épithéliales. Les cellules tumorales et le stroma (fibroblastes, myofibroblastes, cellules endothéliales…) sont capables de produire les constituants de la matrice extra-cellulaire. Elle comporte 2 composantes : - La matrice interstitielle : Collagène I, II, III, élastine, fibronectine, GAG… - La membrane basale : Collagène IV, laminine… La matrice extra-cellulaire a un rôle très important dans l’homéostasie tissulaire et se trouve très fortement remaniée dans les tissus tumoraux. Ce remaniement se fait via la production de métalloprotéases par les cellules tumorales et les cellules du stroma, qui induisent la dégradation de la matrice extra-cellulaire. Ce processus est indispensable pour que la cellule puisse envahir son environnement. Dans ce réseau enchevêtré très dense, se logent des facteurs de croissances (PDGF, VEGF, FGF…) produits par le stroma et les cellules tumorales. La matrice extra-cellulaire a donc une fonction de « réservoir » de facteurs de croissance. Ainsi, lorsque le processus migratoire tumoral débute, il détruit via des protéases l’ECM ce qui libère les facteurs de croissance qui participent alors à l’activation du processus invasif et migratoire. Le contact entre la matrice extra-cellulaire et les cellules tumorales : - Induit des signaux de survie et de prolifération via des intégrines - A un rôle dans les mécanismes de résistance aux traitements - A un rôle dans le processus de migration/invasion/métastases 1) Remodelage de l’ECM par les cellules tumorales Les points de contacts entre la matrice extra-cellulaire et les cellules tumorales sont les « points focaux » ou l’intégrine y joue un rôle essentiel (d’autres protéines « non intégrines » (récepteur de la superfamille des Ig…) et des protéglycans de surfaces sont aussi impliqués dans ces liaisons). C’est tout un complexe protéique qui nfait la liaison entre l’ECM et le cytosquelette de la cellule. Il existe différentes sortes d’intégrines : α5β1 se liant à la fibronectine. 6β1 et α6β4 se liant aux laminines. αvβ3 se liant à la fibronectine et à la vitronectine. α2β1 se liant au collagène fibrillaire. Ces contacts focaux permettent la progression tumorale via : - des signaux qui permettent la réorganisation du squelette d’actine. - l’induction de la dégradation de la membrane basale et de l’ECM. C21-22 Page 14 sur 20 Il y a liaison directe entre la laminine 332 (ou 5, c’est un constituant de l’ECM) et les intégrines. Les conséquences sur la réorganisation du cytosquelette d’actine seront différentes selon le type d’intégrine auquel elle est liée : Laminine 5 - intégrine α6β4 : Activation de la protéine G RAC1 qui induit une migration directionnelle (la cellule s’étend dans un sens particulier et commence sa migration). Laminine 5 - intégrine α3β1 : Activation via la protéine FAK de la protéine G RHOA qui induit une réorganisation du cytosquelette d’actine induisant une migration non directionnelle. C21-22 Page 15 sur 20 Sur la zone de front d’invasion (comprenant les pseudopodes), il y a les points de contacts focaux qui se lient, grâce à la clustérisation des récepteurs de type intégrine, à la matrice extra-cellulaire. Mais pour avancer, la cellule a besoin de dégrader la matrice : En arrière des pseudopodes il y a des protéolyses focalisées grâce aux métalloprotéases. Cela provoque la libération des facteurs de croissance stockés dans la matrice-extracellulaire qui induisent la formation de ces points focaux, des mécanismes pro-migratoire, des signaux survie… Puis il y a contraction de l’actine-myosine permettant au corps de la cellule de se déplacer. Enfin, élimination des points focaux pour que la cellule tumorale se détache et avance. Remarque : La dégradation de l’ECM aboutit à la formation de sous-produits matriciels qui agissent sur les intégrines et ont des conséquences sur les signaux de survie. C’est un mécanisme dynamique. 2) Conclusion La matrice extra-cellulaire est une composante essentielle du processus tumoral à plusieurs niveaux : signalisation autocrine / paracrine (ex : LN5 ou laminine 332) Régulation de la migration et de l’invasion Libération de facteurs pro-angiogéniques Activation de l’EMT De nombreuses protéases participent à son remodelage : Métalloprotéases / MMPs (ex : gélatinase A/MMP2, gélatinase B/MMP9 …) Activateurs du plasminogène (ex : urokinase/uPA, tPA) Régulateurs négatifs / inhibiteurs de protéases (TIMPs, PAIs …) Intérêt du ciblage thérapeutique : ex inhibiteurs de MMPs Très peu de résultats en clinique Mécanismes alternatifs d’échappement IV) Les cellules du système immunitaire : antagonistes et promoteurs de la croissance tumorale Exemple de l’infiltrat immunitaire dans le cancer du côlon. Les tumeurs recrutent par des signaux de très nombreux types cellulaires d’origine hématopoïétique (système immunitaire inné ou adaptatif) ayant des rôles positifs ou négatifs au cours de la progression tumorale. Expérience : On irradie une souris pour détruire sa moelle osseuse. Puis on lui greffe de la moelle préalablement traitée de telle sorte qu’elle soit fluorescente. Enfin on crée une tumeur chez cette souris. On constate qu’au sein de la tumeur ont été recrutées différentes populations d’origine hématopoïétique (visibles grâce au marquage à la GFP). C21-22 Page 16 sur 20 Les principales sous-populations cellulaires sont : Cellules du système immunitaire inné : Macrophages associés aux tumeurs (TAMs) Macrophages exprimant le récepteur Tie2 (TEMs) Cellules NK (Natural Killers) Cellules dendritiques (CpAg) Granulocytes (PN neutrophiles, éosinophiles, mastocytes) Progéniteurs myéloïdes (MDSCs) Cellules de l’immunité adaptative : Lymphocytes T cytotoxiques CD8+ (CTLs) Cellules T « régulatrices » (Treg) La nature de l’infiltrat immunitaire peut moduler la progression tumorale : - Ex : progéniteur myéloïde suppresseur GR1+CD11b+ : suppression des lymphocytes T CD8+ (immunosuppressif) - Ex : Treg CD4+ CD25+ FOXP3+ : suppression des lymphocytes T CD8+ 1) Marqueur pronostique Y a-t-il une corrélation entre le type de sous-population lymphocytaire trouvée dans les tumeurs et la survie du patient ? En effet, si on retrouve un profil anti-immunitaire (donc immunosuppressif) cela va favoriser la croissance tumorale. Au contraire si on retrouve un infiltrat de populations lymphocytaires effectrices de type CD8+ on aura des effets anti-tumoraux permettant de contenir la tumeur. C21-22 Page 17 sur 20 Dans une expérience sur le cancer du côlon, on retrouve une corrélation entre l’infiltrat lymphocytaire (LT mémoires CD45RO+ / LT effecteurs mémoires CD8+ (TEM)) et la survie des patients (indépendant de la classification TNM). Remarque : Classification TNM - T= tumeur - N = envahissement ganglionnaire - M = métastase En fonction de la profondeur de la tumeur, de la présence d’un envahissement ganglionnaire et de la présence de métastases à distance, on peut donner une classification par stade. Stade 1 = Tumeur localisée à l’épithélium Stade 4 = Présence de métastases Quel que soit le stade de la tumeur, il y a 2 possibilités : Soit l’infiltrat de cellules tumorales ne contient pas de lymphocytes T mémoires ou de lymphocytes T effecteurs : Il y a de forts risques que le patient rechute. Soit il y a un envahissement de la tumeur par des cellules mémoires et effectrices : Le pronostic sera bien meilleur. Ces cellules semblent donc diminuer la progression tumorale. En outre, le typage des sous-populations de lymphocytes T helpers permet d’affiner le pronostic : Th1 : meilleure survie Th2 : non corrélé au pronostic Treg : controversé Th17 (IL17+) : corrélé à une moins bonne survie 2) Conclusion La réponse immunitaire anti-tumorale est très complexe et hétérogène. Les sous populations infiltrant les tumeurs ne sont que partiellement caractérisées et leurs rôles parfois controversés. Les cellules tumorales peuvent moduler activement la réponse immunitaire : Ex : production de TGFβ = immunoparalysie Ex : production de CCL21 = tolérogène Aujourd’hui, aucun facteur décrit dans la littérature n’est utilisé en routine : Pas de stratification du risque Pas d’indication thérapeutique C21-22 Page 18 sur 20 V) Une vision intégrée du rôle du micro-environnement tumoral L’ensemble de ces acteurs interagissent entre eux : Les cellules tumorales interagissent avec les cellules de l’immunité et les fibroblastes, avec des conséquences sur l’angiogenèse. Les cellules endothéliales et les péricytes ont des liens directs avec les cellules cancéreuses… Tout cela coordonne la restructuration permanente du micro-environnement tumoral et de l’angiogenèse (qui participe à la croissance et à la migration/invasion des tissus environnants). C’est un mécanisme très dynamique. Dès le début de la maladie il y a production d’un stroma particulier qui aura des effets sur les cellules cancéreuses pour aboutir in fine à l’activation des processus d’invasion et de migration qui aboutissent à la formation de métastases. C21-22 Page 19 sur 20 Au niveau des niches secondaires, se produisent les mêmes mécanismes qui se sont produits auparavant. Le processus est infini : Il y a des métastases des métastases. La niche pré-métastatique : Prenons exemple d’une cellule d’un cancer du côlon qui migrerait au foie. Si le foie ne lui envoie pas les signaux nécessaires, la cellule ne s’y arrêtera pas. Le foie doit nécessairement produire des chimiokines qui se fixeront sur les récepteurs à chimiokine de la cellule cancéreuse pour que celle-ci vienne se positionner dans le foie. 1er signal pour induire l’extravasation et l’installation secondaire dans le foie. Cependant, si la cellule ne retrouve pas directement dans le foie une matrice/un stroma prêt à l’accueillir, elle ne recevra pas de signaux de survie ! Ainsi, l’hypothèse actuelle est que les cellules tumorales primitives produisent des signaux, qui induisent dans les organes cibles à distance un remodelage de la matrice extra-cellulaire et un appel de progéniteurs de cellules hématopoïétiques : Cela constitue la niche pré-métastatique qui accueillera ensuite la cellule tumorale. Une tumeur secondaire peut alors se former et reprendre le processus initial : Augmentation de l’hypoxie intra-tumorale, transition epithélio-mésenchymateuse, adaptation métabolique, migration à distance, production de métastases… VI) Conclusions & perspectives : Microenvironnement et ciblage thérapeutique La compréhension du rôle des différents composants du microenvironnement tumoral offre de nouvelles perspectives thérapeutiques : Ciblage des mécanismes de l’angiogenèse Ex : anti-VEGF Ciblage des capacités d’adaptation métabolique Ex : anti-glycolytiques Inhibition de la réponse inflammatoire Ex : anti-inflammatoires Inhibition de l’échappement immunitaire / ciblage des « suppresseurs » Ex : anti-CTLA4 mAb Inhibition des signaux d’invasion et métastase Ex : inhibiteurs de c-Met/HGF Mais, à ce jour, aucune approche rationnelle !!! Q° : faut-il nécessairement viser une destruction / régression tumorale ? C21-22 Page 20 sur 20
