Comment cibler l angiogenèse? avancées et limites

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1 Comment cibler l angiogenèse? avancées et limites Fabrice SONCIN Directeur de Recherche INSERM Institut de Biologie de Lille fabrice.soncin@ibl.fr

2 Angiogenèse: la mise en place de nouveaux vaisseaux sanguins à partir de vaisseaux préexistants. Phénomène normal, mise en place précoce, perfusion Quasiment tout tissu/organe a besoin d être perfusé pour survivre et se développer

3 Généralités: Finalité de l angiogenèse: la perfusion des tissus La diffusion de l oxygène est limitée au sein des tissus 100 à 200 µm

4 Généralités: L arbre vasculaire au niveau des tissus

5 Signal de l angiogenèse: l hypoxie Hypoxie

6 ECM EC SMC Digestion ECM Prolifération Migration Stimulus angiogénique Hypoxie Recrutement SMC

7 Welti et al. J Clin Invest 2013

8 Mise en évidence des tip cells. A- Plexus vasculaire d une rétine de souriceau de 5 jours révélé avec un marquage isolectine B4 : les tip cells sont présentes au niveau du front de migration du réseau vasculaire (flèches). B- Détail de tip cells (flèches) montrant les filopodes (têtes de flèche) qui s étendent vers les territoires à vasculariser. C- Chez un embryon de caille dont le réseau endothélial est marqué par QH1, de nombreuses tip cells sont visibles dans le plexus vasculaire primitif avant l apparition du flux (têtes de flèche). D- Les tip cells sont alors beaucoup moins nombreuses (tête de flèche) lorsque le flux est établi.

9 Welti et al. J Clin Invest 2013

10 Adams et al. Nat Rev Mol Cell Biol 2007 Parker et al. Nature 2004

11 Welti et al. J Clin Invest 2013

12 ECM EC SMC Digestion ECM Prolifération Migration Stimulus angiogénique Recrutement SMC Maturation vasculaire PDGF-BB FGF Ang-1 TGFβ Ang-2 VEGF

13 Adams et al. Nat Rev Mol Cell Biol 2007

14 Occurrences de l angiogenèse Pendant le développement embryonnaire: Mise en place du système cardio-vasculaire Vascularisation des organes Chez l adulte: Physiologique Cycle menstruel (ovaire, utérus) Grossesse: placenta et glande mammaire Réparation tissulaire (cicatrisation) Pathologique Inflammation Formation de vaisseaux collatéraux (cœur, extrémités ) Néo-vascularisation oculaire (rétinopathies, DMLA) Hémangiome Polyarthrite rhumatoïde Croissance tumorale et métastases

15 Le VEGF VEGF = Vascular Endothelial Growth Factor Médiateur clé de l angiogenèse Secreté par les cellules en hypoxie Stimule la croissance et migration des cellules endothéliales Les souris déficientes pour un seul allèle du VEGF-A meurent à E11-12 par défaut de vasculogenèse et de mise en place des vaisseaux principaux Le VEGF induit une angiogenèse marquée dans toutes les situations où il est surexprimé Son expression est augmentée dans les tumeurs solides et les tissus en angiogenèse Glycoprotéine homodimérique 45 kda Se lie aux VEGF-Rs et à l héparine Existe sous plusieurs isoformes, par épissage VEGF 121 VEGF 145 VEGF 165 (isoforme prédominante) VEGF 183 VEGF 189 VEGF 206

16 Les isoformes du VEGF Exon ATG Initiation Transcription site PSS TGA1 DSS TGA2 Exon 5/6/7 Proximal Splice Site 8a Distal Splice Site 8b ACTTGCAGgttgg..tcagATGTGACAAGCCGAGGCGGTGAgccgggcaggaggaaggagcctccctcagggttttcgggaaccagATCT CTCACCAGGAAAGACTGAtacagaacg CDKPRR SLTRKD Extracellular matrix affinity of corresponding VEGF-A isoform + 5 -UTR a 6b 7a 7b 8a a 7a 7b 8b 3 -UTR 5 -UTR VEGF-A UTR VEGF-A 189 b VEGF-A 189 VEGF-A 183 b VEGF-A 183 VEGF-A 165 VEGF-A 165 b VEGF-A 162 VEGF-A 148 VEGF-A 145 b VEGF-A 145 VEGF-A 121 b - VEGF xxx isoforms VEGF-A 121 VEGF-A 111 VEGF xxx b isoforms VEGF-A 111 b Pro-angiogenic family Anti-angiogenic family

17 Les isoformes du VEGF Basic residues stretch 5 -UTR Ex 1 Ex 2 Ex 3 Ex 4 Ex 5 Ex6a Ex6b Ex7a Ex7b Ex8a Ex8b 3 -UTR Peptide signal Dimerisation domain VEGFR2 VEGFR1 binding domain binding domain Neuropilin binding domain Heparin binding domain Neuropilin binding domain?

18 Lohela M. et al. Curr Opin Cell Biol 2009

19 VEGFR-1 (Flt-1, fms-like tyrosine kinase-1) VEGFR-1 a une plus forte affinité pour le VEGF que VEGFR-2 (15 pm vs. 750 pm) Cependant, son activité Tyr-kinase en réponse au VEGF est très faible: pas (peu) d activité mitogène Les souris déficientes en VEGFR-1 meurent à E , les cellules endothéliales sont présentes en excès et ne s organisent pas en vaisseaux fonctionnels. Les souris déficientes pour la partie intracellulaire du récepteur sont viables et fertiles pour moitié -> rôle dans la séquestration extracellulaire du VEGF? Une forme soluble existe, fortement exprimé par les trophoblastes et endothéliales du placenta, qui joue un rôle dans l établissement de la barrière materno/fœtale Shibuya M. Angiogenesis. (2006) 9:

20 VEGFR-2 et signalisation Holmes K. et al Cell Signal 2007

21 Comment cibler l angiogenèse tumorale?

22 Angiogenèse tumorale

23 Comment cibler l angiogenèse tumorale? Journal of Gastrointestinal Oncology (2013) Vol 4, No 3

24 Comment cibler l angiogenèse tumorale? mais il existe beaucoup d autres facteurs angiogéniques; de croissance, inflammatoires, mais aussi: VEGFxxxb CXCL Journal of Gastrointestinal Oncology (2013) Vol 4, No 3

25 Comment cibler l angiogenèse tumorale? Mimétisme vasculaire (vascular mimicry), vaisseaux mosaïques LS174T: Colon carcinoma Marquages: CD31/PECAM CD105/Endoglin Chang et al. PNAS 2000

26 Comment cibler l angiogenèse tumorale? Co-option vasculaire

27 Comment cibler l angiogenèse tumorale? La cible principale: la cellule endothéliale VDAs Angiogenesis (2013) 16:

28 Participation de l endothélium à l immunité anti-tumorale Red cell Leukocyte VLA-4 LFA-1 sle x Endothelium SMCs E-selectin ICAM-1 VCAM-1

29 Echappement à l immunité anti-tumorale Endothélium normal, flux laminaire Endothélium tumoral, flux perturbé Castermans K., Griffioen AW BBA (2007) 1776:

30 Tumor volume, mm Tumor weight, g 2 1 * 4T1 4T1 Ctrl Egfl7 * * * * Days post-injection Tumor volume, mm Tumor weight, g T1 Ctrl 4T1 Egfl7 4T1-Egfl7, SCID-Bg 4T1-Ctrl, SCID-Bg 4T1-Egfl7, Balb/c 4T1-Ctrl, Balb/c Days post-injection Delfortrie et al. Canc Res 2011

31 4T1-Ctrl 4T1-Ctrl ICAM-1/DAPI 4T1-Egfl7 CD3ε 4T1-Egfl7 ICAM-1/DAPI Delfortrie et al. Canc Res 2011 CD3ε

32 Comment cibler l angiogenèse tumorale? La cible principale: la cellule endothéliale NGR-TNFα J Immunol. (2012) 188(6): , Oncoimmunology (2012)

33 Comment cibler l angiogenèse tumorale? Sunitinib malate induces hypoxia in breast tumors in vivo, and ALDH1 + cells are concentrated in hypoxic regions. (A) Hypoxia in SUM159 tumors was detected by immunofluorescence staining of pimonidazole adducts in sections from control or sunitinib-treated animals. Staining shows pimonidazole immunodetection (green). (Scale bars, 800 µm.) (B) Staining shows pimonidazole (green) and ALDH1 (red) merged with DAPI-stained nuclei (blue). (Scale bars, 400 µm.) (Inset) Magnification: 5. (C) Quantitation of ALDH1-positive cells in control tumors versus hypoxic and normoxic areas within sunitinib-treated tumors. Data are shown as averages ± SD. n = 5. *P < 0.05, **P < Conley S J et al. PNAS 2012

34 Perfusion Docetaxel uptake Bevacizumab Decreases the Net Influx Rate of [ 11 C]docetaxel in Tumors PET-CT Images of a 51-Year-Old Woman with Metastatic Non-Small Cell Lung Cancer (A) Parametric perfusion images obtained at baseline and at 5 hr and 4 days after bevacizumab administration. In the whole tumor, the mean perfusion changed from ml cm 3 min 1 at baseline to ml cm 3 min 1 at 5 hr and ml cm 3 min 1 at 4 days. (B) Patlak images of [ 11 C]docetaxel uptake obtained at baseline and at 5 hr and 4 days after bevacizumab administration. In the whole tumor, the mean K i of [ 11 C]docetaxel changed from ml cm 3 min 1 at baseline to ml cm 3 min 1 at 5 hr and ml cm 3 min 1 at 4 days.f, perfusion; K i, net influx rate constant. Van der Veldt AA et al. Cancer Cell 2012

35 a, Certain cancers are treated with antiangiogenic drugs (which affect blood-vessel formation), either alone or in combination with cytotoxic agents that inhibit the growth of cancer cells. Some of these cells (green) are particularly dangerous because they can be more resistant to cytotoxic therapy than the other tumour cells and can spread to other organs to seed new tumours. b,c, A decreased blood supply to the tumour, which is the main benefit from antiangiogenic therapy, is also the basis for the therapy's limitations. b, It can reduce the distribution of cytotoxic agents in the tumour, and hence their efficacy. Van der Veldt et al. 1 report one such undesirable outcome in patients with non-small-cell lung cancer. c, By reducing oxygen levels in the tumour, antiangiogenic drugs can induce the accumulation of more aggressive cells that have an increased capacity to spread to other organs. Conley et al. 2 document this phenomenon in mouse models of breast cancer in the absence of a cytotoxic agent. Despite many open questions, there is hope that an understanding of the therapies' weaknesses will translate into therapeutic gains. Casanovas O. Nature 2012

36 Effets des anti-angiogéniques: empêchent la formation de nouveaux vaisseaux normalisent les vaisseaux tumoraux existants -> augmentent l intégrité de l endothélium réactivent l endothélium envers les cellules de l immunité Effets délétères: la normalisation des vaisseaux inhibe les effets des anti-angiogéniques sur les endothéliales l intégrité de l endothélium gène la pénétration des chimiothérapies promotion des métastases? Mécanismes de résistance: croissance tumorale indépendante du VEGF (PlGF, FGFs, IL8...) co-option, mimicry, vasculogenèse (progéniteurs myéloïdes) indépendance envers la vascularisation (hypoxie, adaptation du métabolisme du glucose...)

37 Juin 2014 (tous les droits d auteurs sont versés à la SFA)

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39 Comment cibler l angiogenèse tumorale? Dissémination métastatique Nature Reviews Cancer (2011) 11,