Invasion métastatique du tissu osseux: rôle des interactions cellules
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INVASION METASTATIQUE DU TISSU OSSEUX : ROLE DES INTERACTIONS CELLULES / CELLULES ET CELLULES/MATRICE Journées pédagogique et scientifique AE2BM Marseille 2006 S. KAMEL Unité de recherche sur les mécanismes de la résorption osseuse (URMRO) INSERM ERI 12 Faculté de Pharmacie - Amiens - Métastases osseuses = complications de nombreux cancers Tumeurs solides (sein, prostate) hémopathies malignes (myélome multiple) - Tissu osseux = site secondaire +++ (ostéophilie) - Les métastases sont responsables : - Fractures ++ - Douleurs osseuses ++ - syndromes de compression nerveuse - Episodes d’hypercalcémie - Traitements très difficiles et encore rares Problème majeur de santé publique Morbidité +++ EPIDEMIOLOGIE DES METASTASES OSSEUSES Incidence dans la maladie avancée Morbidité osseuse (évènements osseux /an) Myélome 95-100% 2 Sein 65-75% 3,5-3,8 Prostate 65-75% 3 Thyroïde 60% Poumon 30-40% Rein 20-25% Mélanome 14-45% Processus métastatique général Tumeur primitive Métastase ganglionnaire Dissémination lymphatique Dissémination hématogène Métastase secondaire à distance Métastase primaire à distance (Pantel, Nat. Rev. Cancer,2004) Physiopathologie de l’établissement de la métastase dans le tissu osseux Organe cible =tissu osseux Organe cible = cavités médullaires Tumeur primitive Microenvironnement médullaire circulation Prolifération Extravasation Invasion Adhésion Angiogenèse Echanges d’informations biologiques Intravasation Etablissement de la métastase osseuse : - Ostéolytique - Ostéocondensante - Mixte Ostéophilie des cellules tumorales : de vieux concepts … Sir Stephen Paget 1889 : le père du « homing » Théorie du « seed and soil » La graine = cellule cancéreuse : propriétés d’adressage vers le tissu osseux. Le sol = le micro-environnement osseux : terrain fertile à la croissance tumorale. Facteurs favorisant l’adressage spécifique des cellules tumorales dans le tissu osseux ? (rôle des chimiokines, des intégrines) -Etudes avec puces à DNA: Van’t Veer et al. Nature 2002 : signature génique de l’agressivité d’une tumeur du sein (gènes contrôlant le cycle cellulaire, l’angiogenèse et l’invasion tumorale). Kang et al. Cancer cell, 2003 Minn et al. JCI, 2005 : étude sur la lignée MDA-MB231 Inoculation intra-cardiaque des Cellules MDA-MB231à la souris Nude -Sélection d’un clone cellulaire hautement métastatique - Analyse génique : Interleukine 11 (IL11) , le connective tissue growth factor (CTGF), MMP1, ostéopontine, CXCR4 - Acquisition du phénotype métastatique osseux Rôle de CXCR4 Récepteur de chimiokines exprimé +++ par les cellules fortement invasives SDF-1 (stromal derived factor) produit en quantité importante par les cellules médullaires Anticorps anti-CXCR4 diminue l’invasion métastatique (organes lymphoïdes, poumon) dans un modèle de souris Expression de CXCR4 stimulée par des facteurs présents dans la matrice osseuse Rôle de l’intégrine alpha V ß3 Surexpression alpha V beta 3 Pecheur et al. FASEB, 2002 ostéolyse intense Pecheur et al. FASEB, 2002 Conséquences thérapeutiques : inhibition des métastases osseuses par des petits peptides antagonistes de vß3 (Harms JF et coll, Clin Exp Metastasis, 2004) RANK Ligand régule la migration des cellules cancereuses et a formation de métastases osseuses RANK Ligand stimule la migration de cellules cancéreuses exprimant RANK in vitro L’inhibition du RANKL réduit les métastases tumorales de l’os tumeur Holstead Jones et al. Nature Vol 440 (692-696) 2006 + OPG *** 400 300 * ** 200 100 0 1,8 2,5 5 Ca2+(mM) Nb de cellules par membrane (en %age du Ct) Nb cellules par membrane Le calcium - extracellulaire via le récepteur sensible au calcium (CaR) régule la migration des cellules cancéreuses 7,5 bGal CaR-DN 600 500 400 300 200 100 0 1,8 5 Ca2+(mM) Effets de l’acide lysophosphatidique (LPA) Boucharaba et al, JCI 2004 Boucharaba et al, PNAS 2006 Le tissu osseux = sol fertile pour les cellules tumorales Ostéoclastogenèse Ostéoblastogenèse Modification +++ du remodelage osseux local Facteurs de croissance et cytokines Cellules tumorales dans l’os Cercle vicieux d’auto-entretien TGFb, IGF, Ca++ Ostéoclaste mature Os Résorption osseuse CONSÉQUENCES DU DÉVELOPPEMENT DE LA MÉTASTASE DANS LE TISSU OSSEUX : DÉSÉQUILIBRE DU REMODELAGE OSSEUX Cellules tumorales dans l’os Ostéoblastes Ostéoclaste mature Os Résorption osseuse Formation osseuse RAPPEL SUR LE REMODELAGE OSSEUX PHYSIOLOGIQUE HOMÉOSTASIE CALCIQUE ET TISSU OSSEUX Apports alimentaires (1000 mg Ca++) Absorption intestin Calcémie (2,2-2,6 mM) Sécrétion Formation squelette 1000 g Résorption Compartiment extra-cellulaire Fèces Réabsorption filtration rein Urine Rôle du tissu osseux dans les échanges calciques vers et à partir des liquides extra-cellulaires LES DIFFÉRENTES SÉQUENCES DU REMODELAGE OSSEUX ostéoclastes Cellules bordantes ACTIVATION Matrice osseuse Matrice osseuse QUIESCENCE Ostéoblastes RESORPTION Os calcifié nouveau Ostéoclastes actifs Os calcifié ancien Durée : 12 jours Durée : 3 mois FORMATION . .? . . INVERSION Remodelage osseux dépend du nombre de cellules osseuses (Oc et Ob) activées L’équilibre du Remodelage osseux assure l ’intégrité de la masse osseuse Résorption osseuse et ostéoclaste monocyte macrophage ostéoblaste M-CSF Cellule souche totipotente CFU-GM Interactions cellule-cellule prolifération fusion Engagement Précurseurs ostéoclastiques Régulation 1 activation Ostéoclaste H+ H+ Cathepsines Métallo-protéases Matrice osseuse Régulation 2 Ostéoclaste activé résorbant 12 j Régulation 3 Détachement et mort par apoptose RÔLE DES INTERACTIONS OSTÉOBLASTES / OSTÉOCLASTES DANS LA DIFFÉRENCIATION OSTÉOCLASTIQUE : La triade RANK-RANKL et OPG M-CSF RANK OPG OPG RANK-L M-CSF Ostéoblastes/Cellules stromales RANK Prolifération et différenciation Survie, fusion, et activation Ostéoclaste activé Pré-ostéoclaste RANK : Receptor Activator of Nuclear factor kappa B RANK-L : RA NK ligand OPG : Ostéoprotegérine M-CSF : Macrophage Colony Stimulating Factor Précurseur ostéoclastique Le rôle du récepteur RANK et du RANK Ligand dans la régulation de la densité minérale osseuse Normal Absence de RANK Ligand1 Absence de RANK2 DMO accrue (ostéopétrose) 1 Kong YY et al. Nature 1999; 397: 315–323; 2 Li J et al. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97: 1566–1571 L’excès de RANKL chez les souris OPG -/- entraîne des fractures de fragilité spontanées des os longs Radiographie de souris OPG knockout mouse à un mois avec fractures de fragilité spontanées Bucay et al, Genes and Development 12: 1260-1268, 1998 CONTRÔLE DE LA RÉSORPTION OSSEUSE Facteur HORMONAL LOCAL Effet stimulant Calcitriol + Parathormone + T3 et T4 + Effet inhibiteur Stimule ++ ostéoclastogenèse 17ß oestradiol + Calcitonine + TNF + IL 1 + IL 6 + Prostaglandines + CONTRÔLE DE LA RÉSORPTION OSSEUSE = CONTRÔLE DE LA BALANCE RANK-L/OPG OPG RANK-L Agents hyper résorbants : Agents hypo résorbants 17 ß oestradiol 17 ß oestradiol OPG + - - Ostéoblastes/ + Cellules stromales RANK-L PTH 1,25 (OH) D3 Glucocorticoïdes IL1 TNF L ’OSTÉOBLASTE ET LA FORMATION OSSEUSE Cellule souche mésenchymateuse Myo D Expression de Cbfa1 et ostérix - myoblastes PPAR g - adipocytes Cellules ostéoprogénitrices Cbfa1 SOX 9 - chondroblastes Voie ostéoblastique Précurseur ostéoblastique - Phosphatase alcaline - Collagène type I - Ostéocalcine - Sialoprotéine osseuse Ostéoblaste mature ostéocyte Cellule bordante Ostéoblaste apoptotique Facteurs de transcription et différenciation ostéoblastique Rôle de CBFA1 (Core Binding Factor alpha 1 ou RUNX 2) Souris normale Souris normale Souris CBFA1- - Souris CBFA1- - Contrôle de la formation osseuse par le système Lrp 5 / Wnt -- Souris Lrp5 : diminution (-50%) nombre Ob et FO Wnt (Wingless) : stimulation ++ prolifération et différenciation ob Wnt Sfrp (soluble frizzled related protein) Lrp 5 Lrp 5 Krm (Kremen) Frizzled Dkk (dickopf 1) Kinase ? P Protéine adaptatrice P Dégradation par le protéasome ß caténine ß caténine Cyclin D1, C myc Ostéoblaste Gènes Ob CONTRÔLE DE LA FORMATION OSSEUSE Facteur HORMONAL Effet stimulant Calcitriol + PTH (1-34) + 17ß oestradiol + Leptine LOCAL + BMP (bone morphogenetic protein) + TGFß + IGF, FGF + Contraintes mécaniques + TNF Effet inhibiteur + DÉRÉGULATIONS PATHOLOGIQUES DU REMODELAGE OSSEUX AU COURS DE L’INVASION MÉTASTATIQUE Résorption (Ostéoclastes) Formation (Ostéoblastes) Maintien de la masse osseuse Cellules tumorales Formation Résorption Perte de masse osseuse Tumeur ostéolytique (sein, myélome) Résorption Formation Gain de masse osseuse Tumeur ostéocondensante (sein,prostate) Mécanismes moléculaires responsables de l ’atteinte osseuse métastatique des tumeurs ostéolytiques : cas du sein RANK Ligand: médiateur essentiel de la destruction osseuse dans le cancer métastatique Cytokines et facteurs de croissance Cellules cancéreuses dans la métastase osseuse PTHrp Facteurs de croissance IL-6, 8, 11 Ostéoclaste Résorption osseuse RANK Ligand RANK Os Lésions ostéolytiques Adapté d’après Roodman GD. N Engl J Med 2004; 350: 1655–1664 Mécanismes moléculaires responsables de l ’atteinte osseuse métastatique des tumeurs ostéolytiques : cas du myélome multiple RANK Ligand: médiateur essentiel de la destruction osseuse dans le myélome multiple Cytokines et facteurs de croissance Plamocytes tumoraux médullaires MIP 1 et ß IL-6 Facteurs de croissance Ostéoclaste Résorption osseuse RANK Ligand RANK Os Lésions ostéolytiques Pathologie osseuse associée au myélome multiple : Facteurs diminuant la formation osseuse Cellules myélomateuses Il 7 DKK1 cbfa1 Lrp5 : wNT Os Lésions ostéolytiques Mécanismes moléculaires responsables de l ’atteinte osseuse métastatique des tumeurs ostéoblastiques : (Prostate, sein) Cellules prostatiques et mammaires Endothelin 1 ? FGFs, BMP CBFA1 Os Lésions ostéolytiques CONSÉQUENCES POUR LE TRAITEMENT DES METASTASES OSSEUSES RANKL = Nouvelle cdible thérapeutique dans le traitement des métastases osseuses Ostéoclaste RANK Ac antiRANKL RANK soluble RANKL Ostéoblaste L’inhibition du RANK Ligand par L’OPG recombinante bloque l’ostéolyse tumorale dans un modèle de cancer du sein Lésions radiographiques Nombre de lésions par souris Modèle intracardiaque MDA-231 4 2 * OPG NOc /mm2 de surface tumorale 0 Témoin Morony S et al. Cancer Res 2001; 61(11): 4432–4436 * 0 0,3 1 3 Dose d’OPG (mg/kg) 180 120 * 60 0 * 0 0,3 1 Dose d’OPG (mg/kg) 3 L’inhibition du RANK Ligand par l’OPG recombinante réduit la charge tumorale et améliore la survie dans un modèle murin de myélome multiple *p < 0,05 3,0 * 2,5 2,0 1,5 1,0 90 85 * 80 1,0 Survie cumulative % de cellules tumorales Paraprotéine (g/dl) 3,5 0,8 5T33MM + Témoin 0,6 5T33MM + OPG 0,4 0,2 0 0 75 5 10 15 20 25 30 35 40 Jours 70 65 p<0,02 Normal 5T33MM + Témoin 5T33MM + OPG (25 mg/kg) Vanderken K et al. Cancer Res 2003; 63: 287–289 L’inhibition du RANK Ligand par le du RANK soluble diminue la formation des lésions osseuses ostéoblastiques induites par le cancer de la prostate Modèle LuCaP 35 Hu/SCID de cancer de la prostate, thérapie initiée à 6 semaines Basal Inhibition du RANK Ligand Témoin ( RANK soluble) 35 PSA (ng/ml) Radiographie PSA sérique en tant que marqueur de substitution de la charge tumorale dans le cancer de la prostate 40 30 25 * 20 15 10 5 0 Basal Zhang J et al. Cancer Res 2003; 63: 7883–7890 Témoin RANK soluble Limite dans l’utilisation en thérapeutique humaine de l’OPG Cellules spécialisées Ostéoclaste RANK TRAIL TRAIL (TNF Related Apoptosis Inducing Lingand) : signal de mort pour les cellules tumorales RANKL Ostéoblaste TRAIL = Facteur pro-apoptotique OPG = facteur de survie des cellules cancéreuses UTILISATION EN TH2RAPETIQUE HUMAINE D’UN ANTICORPS DIRIGE CONTRE LE RANKL (DENOSUMAB, AMGEN) Pamidronate Pamidronate Effet du denosumab dans une population de femmes atteintes de métastases osseuses (A; n = 29) et dans une population de sujets présentant un myélome avec une ostéolyse (B; n = 25) sur un marqueur de résorption osseuse (NTX). Body et al, Clin Cancer Res, 2006
