Ciblage thérapeutique des cellules souches cancéreuses dans le cancer ORL : associations radiothérapie – thérapies ciblées

Targetting head and neck cancer stem cells : targeted-therapies and radiation combinations

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Guy
• Direction : Nicolas Charles Magné
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et oncologie
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Céruse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Charles Magné, Céline Bourgier, Jean-Louis Merlin, Cyrus Chargari, Claire Rodriguez-Lafrasse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Bourgier, Jean-Louis Merlin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cancer -- Thérapeutique

Radiorésistance

Cancer -- Radiothérapie

Cancer

Oto-rhino-laryngologie

Mots clés libres

Cancer ORL

Cellules souches cancéreuses

Invasion/migration

Radiothérapie photonique

Hadronthérapie

EGFR

HER2

HER3

Head and neck cancer

Cancer stem cells

Invasion/migration

Radiotherapy

Hadrontherapy

EGFR

HER2

HER3

Résumé

La radiothérapie est la pierre angulaire du traitement des cancers ORL. Utilisée de façon exclusive, en association à des molécules de chimiothérapie, ou en combinaison à une chirurgie, ce traitement s’expose à de nombreuses résistances. L’hypothèse majeure de la résistance à la radiothérapie est l’existence d’une sous-population de cellules radiorésistantes et migratrices appelées cellules souches cancéreuses (CSCs). L’objectif de ce travail était de cibler la sous-population de CSCs en utilisant différentes modalités de radiothérapie (photonique ou ions carbones) et en y associant des drogues ciblant spécifiquement les voies de résistance de ce type cellulaire. Après les travaux de mise au point de techniques d’analyse de la motilité cellulaire par vidéo microscopie, la première partie de la thèse s’est intéressée aux mécanismes de résistance des CSCs à la radiothérapie photonique associée au cetuximab (anticorps anti-EGFR). Si l’utilisation des photons associés au cetuximab s’est révélée inefficace sur les CSCs, les ions carbone ont montré qu’ils permettaient de diminuer l’invasion/migration cellulaire. Ce premier travail a également démontré que les CSCs étaient résistantes au cetuximab en sous-exprimant l’EGFR. La deuxième partie du travail a donc étudié l’échappement des cellules au blocage de l’EGFR par les co-récepteurs HER2 et HER3. Il a été démontré dans ce travail que les CSCs sous-exprimaient l’EGFR, mais exprimaient à l’inverse HER2-HER3. La combinaison associant cetuximab et pertuzumab (anticorps anti-HER2, boquant également la dimérisation avec HER3) a montré qu’elle permettait de cibler efficacement l’ensemble des cellules y compris les CSCs en association à la radiothérapie photonique. Cette combinaison de thérapies ciblées a permis d’inhiber significativement la prolifération cellulaire et l’invasion/migration cellulaire de plusieurs lignées de cellules de cancer ORL, et de leur sous-population de CSCs respectives. Ces données sont sous tendues par l’inhibition des voies de signalisation intracellulaires médiées par la famille HER : Ras-MAPK et Akt-mTor. Si le blocage pan-HER s’est révélé efficace, son application clinique peut poser problème en terme de tolérance. La troisième partie a donc étudié une autre voie en ciblant les mécanismes de résistance à la mort apoptotique par l’intermédiaire de la famille Bcl-2. Les CSCs inhibent la voie de mort apoptotique via une surexpression de Bcl-2. L’utilisation d’une molécule ciblant spécifiquement Bcl-2 (ABT-199) a démontré une inhibition de la prolifération, l’invasion/migration, et la croissance en sphéroïdes des CSCs. L’association de l’ABT-199 au cetuximab et la radiothérapie permettait d’inhiber ces propriétés dans la population cellulaire totale. Ces données ont été confirmées in vivo dans un modèle de souris nude xenogreffées, avec une survie prolongée des souris traitées par l’association ABT-199-cetuximab, avec une excellente tolérance. L’ensemble de ce travail démontre que le ciblage des CSCs de cancer ORL ne peut s’imaginer autrement qu’en utilisant des associations thérapeutiques. Si l’association cetuximab-radiothérapie est efficace sur la majorité des cellules, la lutte contre les récidives locorégionales ou métastatiques ne peut s’entreprendre sans cibler les voies de résistances des CSCs, par l’intermédiaire de l’hadronthérapie, des co-récepteurs HER2-3 ou de la résistance à la mort apoptotique par la famille Bcl-2.

Radiotherapy is the cornerstone of head and neck cancer treatment. Used in combination with surgery, exclusively or in combination with chemotherapy, this treatment is exposed to major resistances. The hypothesis of resistance to radiation therapy is the existence of a radioresistant cell subpopulation with high invasion/migration capacities. This cell population is called cancer stem cells (CSCs). The objective of this work aimed at targeting CSCs using different radiotherapy modalities (photon or carbon ions) combined with radiosensitizing drugs specifically targeted on resistance pathways of this cell population. The first part of the work focused on the resistance mechanisms of CSCs to photon radiotherapy associated with cetuximab (anti-EGFR antibody). While the use of photons associated with cetuximab was inefficient on CSCs, the use of carbon ions decreased cell invasion / migration. It was also demonstrated that CSCs were resistant to cetuximab by under expressing EGFR. The second part of the work studied EGFR resistance by the activation of co-receptors HER2 and HER3. If CSCs underexpressed EGFR, they expressed HER2-HER3. The combination of cetuximab and pertuzumab (anti HER2 antibody, also blocking dimerization with HER3) effectively targeted all cells including CSCs in combination with photon radiotherapy. This combination significantly inhibited cell proliferation and cell invasion / migration of several cancer cell lines, and their respective CSCs subpopulation. These data were supported by the inhibition of intracellular signaling pathways mediated by the HER family: Ras-MAPK and Akt-mTor. While pan-HER blockade has been shown to be effective, its clinical application is compromised due to bad clinical tolerance. The third part studied the mechanisms of resistance to apoptotic death through the Bcl-2 family. CSCs inhibited the apoptotic death pathway through overexpression of Bcl-2. A molecule specifically targeting Bcl-2 (ABT-199) significantly inhibited proliferation, invasion / migration, and spheroid growth of CSCs. The combination of ABT-199 with cetuximab and radiation therapy inhibited these properties in the total cell population. These data were confirmed in vivo in a model of xenografted nude mice, with prolonged survival of mice treated with ABT-199-cetuximab combination, with excellent tolerance. This work demonstrated that targeting head and neck CSCs cannot be imagined without therapeutic combinations. If the cetuximab-radiotherapy combination is effective on the majority of cells, loco-regional or metastatic recurrences cannot be decreased without targeting CSCs resistance pathways, through hadrontherapy, HER2-3 receptors or apoptotic death resistance with Bcl-2 family.