DESEQUILIBRE DE L'ENVIRONNEMENT MATRICIEL DANS LES PROCESSUS TUMORAUX : ROLES DES ENZYMES MATRICIELLES

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1 DESEQUILIBRE DE L'ENVIRONNEMENT MATRICIEL DANS LES PROCESSUS TUMORAUX : ROLES DES ENZYMES MATRICIELLES Dominique Ledoux Université Paris 13

2 PROGRESSION TUMORALE ET ANGIOGENESE Exemple d un carcinome

3 MATRICE EXTRACELLULAIRE (MEC) CANCER Lame basale (épithéliales, endothéliales) Compartiment extracellulaire Déséquilibre Enzymes / Inhibiteurs Cellule Modulation (+/-) prolifération cellulaire migration cellulaire invasion cellulaire Inhibiteurs Membranaires Enzymes Matricielles Equilibre enzymes-inhibiteurs extracellulaires Associées MEC Dégradation de la MEC + Libération-Activation pro-/ anti-mitogènes pro-/ anti-angiogéniques pro-/ anti-apoptotiques pro-/ anti-inflammatoires

4 CONSTITUANTS DE LA MATRICE EXTRACELLULAIRE COLLAGENES type IV, XVIII (lame basale) ELASTINE PROTEOGLYCANNES Protéines associées à des glycosaminoglycannes (GAG, chaînes glucosidiques) GLYCOPROTEINES ADHESIVES Fibronectine, Laminine PLASMINOGENE Protéine ubiquitaire présente dans TOUS les compartiments extracellulaires

5 LES ENZYMES MATRICIELLES LES PROTEASES clivent les protéines 4 classes de protéases - serine : plasmine (Lys, Arg), urokinase (upa) - aspartyl - cysteine - métallo : métalloprotéases matricielles (MMP) L'HEPARANASE clive les glycosaminoglycannes

6 ETUDE DE TROIS SYSTEMES ENZYMATIQUES LE SYSTEME UROKINASE (upa) - PLASMINE L'HEPARANASE LES METALLOPROTEASES MATRICIELLES (MMP)

7 LE SYSTEME upa-plasmine ACTION PROPRE (signalisation intracellulaire) clivage Sérine protéases MMPs +++ STIMULATION - Adhésion - Migration - prolifération clivage clivage Plasmine directs Effets physio(patho)logiques Activation d'effecteurs indirects upar : upa récepteur - Pro-uPA : urokinase inactive - upa : urokinase active D'après Wang (2001) Med Res Rev, 21,

8 LE SYSTEME upa-plasmine Description (suite) EFFETS PHYSIO(PATHO)LOGIQUES DE LA PLASMINE sérine protéase qui hydrolyse les composants de la MEC : - Fibronectine, laminine, - collagènes dénaturés dégradation de la MEC Hydrolyse Activation de nombreux effecteurs - TGFb inactif TGFb actif - MMP inactives MMP actives - libération de FGF et VEGF à partir de la MEC facteurs "biodisponibles" - plasminogène "inactif" fragment K1-5, K5 Modulation (±) de la progression tumorale

9 SYSTEME upa-plasmine ET CANCER Évidences expérimentales de son implication upa/upar clivage plasmine? cancer Action propre Modèles cellulaires et animaux upar et upa sur-exprimés dans de nombreuses cellules tumorales Inhibition de l'activité upa (inhibiteurs, Ig) Inhibition de l'expression upa et upar Inhibe la formation de métastases Injection cellules tumorales dans souris invalidées pour le gène upa (souris KO) tumeurs moins agressives Modèles tumeurs humaines upar et upa sur-exprimés dans de nombreuses tumeurs d'origines diverses Forte corrélation entre niveaux d'expression upa et upar et - le potentiel métastatique de la tumeur - le faible taux de survie des patients L'uPA est un excellent marqueur pronostique du cancer du sein

10 Design of Novel and Selective Inhibitors of Urokinase-type Plasminogen Activator with Improved Pharmacokinetic Properties for Use as Antimetastatic Agents* Andrea Schweinitz, Torsten Steinmetzer, Ingo J. Banke, Matthias J. E. Arlt, Anne Stu rzebecher, Oliver Schuster, Andreas Geissler, Helmut Giersiefen, Ewa Zeslawska**, Uwe Jacob**, Achim Kruger, and Jorg Sturzebecher THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY Vol. 279, No. 32, Issue of August 6, pp , 2004 Inhibiteur de l'activité enzymatique de l'upa démontrée in vitro Modèle souris : - Cellules HT1080 injectées (i.v.) chez la souris nude. Formation d une tumeur primaire puis de métastases dans le foie cellules tumorales très invasives - Injection de l inhibiteur (3mg/kg/jour) 1 jour avant l'injection des cellules HT1080 et pendant toute la durée de l étude (22 jours) - Analyse des foyers métastatiques de cellules HT1080 à la surface du foie

11 Effet de l inhibiteur de l upa sur les métastases hépatiques - Cellules HT1080 "marquées" par gène LacZ : cellules transfectées de façon stable par un plasmide portant le gène LacZ (b-galactosidase) -Foie prélevé 22 jours après l inoculation puis coloré avec X-gal (substrat b-gal) -Foyers métastatiques bleus comptés à la surface 22 jours Effet de l inhibiteur de l upa sur la survie - Souris contrôles : 100% des souris décédées en 43 jours avec t 50 = 37 jours -Souris traitées : 100% des souris vivantes jusqu'au jour 61 avec t 50 = 117 jours

12 L'HEPARANASE b-d-endoglucuronidase clive/dégrade spécifiquement les protéo-héparanes sulfates (HSPG) Protéo-héparanes sulfates (HSPG): appartiennent à la famille des Protéoglycannes Protéoglycanne : protéine + chaînes glucosidiques chaînes glucosidiques = héparanes sulfates (glycosaminoglycannes, GAG) Heparanase clive/dégrade les chaînes héparanes sulfates

13 GAG Principaux Protéoglycannes KS HS Chaîne protéique Heparane Sulfate HS Pollard & Earnshaw (2002) Cell Biology, Elsevier Science (USA), pp 497

14 Protéo-héparanes sulfates (HSPG) et héparanase Protéo-héparanes sulfates : rôle de "réservoir" de facteurs de croissance dans la MEC Fibroblast Growth Factors (FGFs) Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) Transforming Growth Factor b (TGFb) Transforming Growth Factor a (TGFa) Heparin-binding Epidermal Growth Factor (HB-EGF)) Facteurs de croissance mitogènes, anti-apoptotiques, pro-angiogéniques Dégradation des HS : Libération de facteurs de croissance associées aux HS Stimulation de la prolifération, de la survie et de la migration des cellules endothéliales et tumorales D'après Simizu et al. (2004) Cancer Sci, 95,

15 HEPARANASE ET CANCER Evidences expérimentales de son implication surexpression des ARNm héparanase dans des tumeurs humaines d origine diverses concentration élevée d héparanase (protéine) dans le sérum de malades corrélation positive entre niveaux d expression héparanase (ARNm) et : - indice vasculaire de la tumeur - potentiel métastatique de la tumeur corrélation inverse entre niveaux d expression héparanase (ARNm) et indice de survie des patients

16 Modèle : injection sous-cutanée cellules tumorales MCF-7 dans souris nude H-hpa : cellules MCF7 contenant le plasmide-héparanase surexpression de l'héparanase mock : cellules MCF7 contenant le plasmide vide tumeur Fonctionnalité des vaisseaux Maturation des vaisseaux Mesure de l'angiogenèse par imagerie par résonance magnétique Fonctionnalité et maturation mesurées par inhalation mélange air-co2

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18 LES METALLOPROTEASES MATRICIELLES (MMP) Considéré comme les enzymes les plus impliquées dans les différentes étapes d invasion et de progression tumorale Principales caractéristiques Famille de plus de 25 membres chez les mammifères Enzymes Zinc et calcium dépendantes Dégradent la quasi totalité des protéines de la MEC et d'autres protéines non MEC Synthétisées par un grand nombre de cellules dont EC et cellules tumorales Protéines synthétisées sous forme inactive (pro-mmp) puis activées par des enzymes MMP sécrétées et MMP membranaires

19 MMPs ET CANCER Evidences expérimentales de leur implication surexpression des MMPs (ARNm, protéines) dans des tumeurs humaines d origine diverses concentration élevée des MMP (protéine) dans le sérum de malades Cellules tumorales injectées dans souris déficientes (KO) en MMP-2, MMP-9, MT1-MMP - processus angiogénique déficient - processus invasif réduit corrélation positive entre niveaux d expression MMP (ARNm) et : - indice vasculaire de la tumeur - potentiel métastatique de la tumeur corrélation inverse entre niveaux d expression MMP (ARNm) et indice de survie des patients

20 Les MMP sont synthétisés par de nombreuses cellules au sein de la tumeur Egeblad & Werb (2002) Nature Rev, 2,

21 Implication des MMP dans la progression tumorale 1) MMP régulent la prolifération des cellules tumorales Effets pro-mitotiques : libération/activation de facteurs mitogènes Effets anti-mitotiques Cellules tumorales activation IGF par clivage IGF-BP activation du TGF-a membranaire inactif libération fragment "actif" de fibronectine. interaction avec intégrine (avb6) prolifération activation du TGF-b latent (inhibiteur prolif cellules tumorales) + Progression tumorale - D'après Egeblad & Werb (2002) Nature Rev, 2,

22 2) MMP régulent l angiogenèse Effets pro-angiogéniques FGF-2 VEGF Effets anti-angiogéniques Cellules tumorales Cellules endothéliales libération de facteurs de croissance pro-angiogéniques (FGF, VEGF) par dégradation des HSPG (en association avec héparanase) prolifération cellules EC Fragment collagène IV interaction intégrine avb3 prolifération activation du TGFb prolifération cellules EC + - Progression tumorale plasminogene angiostatin collagène XVIII endostatin collagène IV tumstatin inactivation de upar (EC) : plasmine et donc de la migration des EC D'après Egeblad & Werb (2002) Nature Rev, 2,

23 BILAN Protéases extracellulaires (MMP, upa/upar) participent à l'ensemble des processus impliqués dans la progression tumorale prolifération/survie cellules tumorales mobilité des cellules tumorales (invasion, migration) angiogenèse Développement de nombreux inhibiteurs anti-mmp ou anti-upa qui ont montré leur efficacité in vivo chez la souris nude quid chez l'homme?

24 INHIBITEURS D'ENZYMES MATRICIELLES: UTILISATION EN PHASES CLINIQUES Agent Mechanism of action Trial Company Marimastat Synthetic inhibitor of MMPs Phase II in pancreas phase III in non small cell lung, breast cancers British Biotech Bay Synthetic inhibitor of MMPs Phase III in non small cell lung cancer Bayer MMI270 (CGS27023A) Synthetic MMPs inhibitor Phase I, colorectal cancer Novartis PI-88 Heparanase inhibitor Phase II in liver, melanoma, prostate Progen WX-UK1 Synthetic inhibitor of upa Phase II in cancer with metastasis Wilex

25 BILAN Résultats des essais cliniques depuis une dizaine d'années efficacité très faible quel que soit le stade de la maladie dans le cas des inhibiteurs anti-mmp, observation d'un effet délétère : "accélération de la progression tumorale"!!!!!!!! Ré-évaluation très récente du rôle de certaines protéases (MMPs) rôle anti-tumoral Certaines MMP (MMP-3, MMP-9, MMP-11, MMP-19) ont une double action opposée Pro-tumoral Anti-tumoral

26 Rôle anti-tumoral des protéases extra- et péri-cellulaire Kallikreins (serine protéase EC) stimule l'activation du TGFb MMP3 stimule l'apoptose des cellules tumorales MMP9 MMP12 angiostatin tumstatin endostatin MMP8 sécrétée par neutrophiles agent anti-inflammatoire