Imagerie in vivo simultanée de la vascularisation et du métabolisme tumoral

Simultaneous in vivo imaging of tumor vascularization and metabolism

• Auteur / Autrice : Caterina Facchin
• Direction : Bertrand Tavitian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imageries
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris Centre de Recherche Cardiovasculaire (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Rosa Maria Moresco
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rosa Maria Moresco, Nathalie Lassau, David Taieb, Fabrice Soncin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Lassau, David Taieb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sunitinib

Tomodensitométrie

Imagerie ultrasonore

Tumeurs -- Vaisseaux sanguins

Tomographie par émission

Néovascularisation

Imagerie

Métabolisme

Cancer

Mots clés libres

Métabolisme du cancer

Angiogenèse

Paragangliome

Imagerie multimodale

Tomographie par émission de positrons

Imagerie par ultrasons ultra-rapides

Cancer metabolism

Angiogenesis

Paraganglioma

Multimodality imaging

Positron emission tomography

Ultrafast-Ultrasound imaging

Résumé

La dérégulation du métabolisme et l'induction de la vascularisation sont deux caractéristiques importantes des tumeurs malignes, qui ont une glycolyse aérobie accrue (effet Warburg) et développent de nouveaux vaisseaux sanguins (néo-angiogenèse) anormaux. D'autres adaptations métaboliques des cellules tumorales et stromales apparaissent pendant la croissance tumorale. Nous avons exploré, avec un nouvel instrument d'imagerie préclinique multimodal, la relation entre vascularisation et métabolisme tumoral, au cours du traitement anti-angiogénique par le sunitinib dans un modèle murin de paragangliome (PGL). En combinant la tomographie par émission de positons (TEP), la tomodensitométrie (TDM) et l'imagerie ultrasonore ultra-rapide (UUI), nous avons analysé simultanément la croissance tumorale (TDM), le métabolisme glucidique (TEP-FDG) et la vascularisation (UUI) chez un modèle murin de paragangliome héréditaire obtenu par élimination de la sous-unité B de la succinate déshydrogénase (SDHB). Cette mutation invalide l'activité enzymatique et entraine l'accumulation intracellulaire de succinate, ce qui crée une situation de «pseudohypoxie». Les patients porteurs de PGL avec mutation SDHB présentent souvent des métastases et ont un mauvais pronostic, et échappent fréquemment au traitement par sunitinib. Des allogreffes tumorales SDHB-/- implantées dans le coussinet adipeux de souris nude ont été obtenues par invalidation du gène Sdhb dans les cellules chromaffines immortalisées de souris (imCC). Les souris ont été reparties en deux groupes: un groupe (n=19) a reçu du sunitinib (50kg/mg/jour) pendant 6 semaines, l'autre (n=14) l'excipient pendant 3 semaines. Elles ont été suivies par PET-CT-UUI chaque semaine avant euthanasie et les tissus tumoraux et cardiaques analysés par histologie. L'imagerie PET-CT-UUI a montré l'efficacité thérapeutique du sunitinib: inhibition de la croissance tumorale et de l'angiogenèse de la semaine 1 (S1) à la semaine 3 (S3), et réduction du métabolisme glycolytique à S1. L'échappement au traitement a été observé dès S3 par la reprise du métabolisme glucidique, suivie par la croissance tumorale à la semaine 4 (S4) et la reprise de la croissance vasculaire à S4-S5. L'analyse topographique comparée de la TEP et de l'UUI co-enregistrées a montré que les néo-vaisseaux se développaient préférentiellement dans les régions de captation élevée du FDG. Nous avons observé que la diminution de la longueur maximale des vaisseaux et la glycolyse totale des lésions après une semaine de traitement était corrélée au volume tumoral à 6 semaines. À S3, les taux d'expression de l'hexokinase 2, des transporteurs monocarboxylates 1 et 4 et de la lactate déshydrogénase A étaient augmentés chez les souris traitées au sunitinib et comparables à ceux du groupe véhicule à S6. Les résultats d'imagerie in vivo et in vitro confirment donc que le changement de métabolisme tumoral vers une glycolyse anaérobique à S3 précède l'échappement des vaisseaux tumoraux à la thérapie anti-angiogénique. Dans une deuxième partie, étudiant les effets cardiotoxiques du sunitinib, nous avons montré que la captation de FDG par le coeur a augmenté dès S1. Il est intéressant de noter que l'augmentation était corrélée avec la masse ventriculaire gauche à S6. A S6, les coeurs présentaient une fibrose accrue et une fraction de raccourcissement (SF) augmentée, indiquant une hypertrophie cardiaque. En résumé, la combinaison d'études longitudinales de souris porteuses de tumeurs par imagerie et d'analyse histologique et moléculaire démontre que l'échappement des tumeurs au traitement anti-angiogénique se produit d'abord par adaptation métabolique, suivie dans un second temps d'une reprise de la croissance tumorale et vasculaire. Les changements métaboliques précèdent donc la reprise de la néo-angiogenèse et la cardiotoxicité. Ces résultats soutiennent l'utilisation de l'imagerie métabolique pour le suivi du traitement du cancer.

Deregulation of metabolism and induction of vascularization are major hallmarks of cancer. Compared to normal tissues, tumors enhance aerobic glycolysis (Warburg effect), and trigger the growth of new blood vessels (angiogenesis). However, neo-angiogenesis is imperfect in structure and function, and metabolic adaptations of cancer and stromal cells appear during tumor development. Using a new multimodal preclinical imaging instrument, we explored the relationship between vascularization and tumor metabolism, both under normal conditions and under anti-angiogenic therapy with sunitinib in a murine model of paraganglioma (PGL). Combining positron emission tomography (PET), computed tomography (CT) and ultrafast ultrasound images (UUI), we acquired simultaneously co-registered images of glucose metabolism by FDG-PET, tumour volume with CT, and neo-angiogenesis with UUI. PET-CT-UUI imaged the tumor evolution in a mouse model of hereditary paraganglioma carrying a mutation in the gene coding for the subunit B of succinate dehydrogenase (SDHB). The invalidation of the enzymatic activity of SDHB causes an intracellular accumulation of succinate creating a situation of "pseudohypoxia" with increased expression of genes involved in angiogenesis (VEGF) and glycolytic metabolism (GLUT1). Patients with SDHB-/- PGLs have increased metastases and poor prognosis and they often show long-term drug resistance when treated with sunitinib. The relationship between metabolism and tumor vascularization was studied in Sdhb-/- tumor allografts in the fat pad of nude mice, obtained by double knock-out of Sdhb gene in immortalized mouse chromaffin cells (imCC). The mice were divided into two groups: one group (n=19) received sunitinib (50mg/kg/die) during 6 weeks, the other vehicle (n=14) during 3 weeks. Mice were monitored weekly with PET-CT-UUI, then euthanized and histological analysis of tumor and cardiac tissues performed. PET-CT-UUI showed an initial therapeutic efficacy of sunitinib: inhibition of tumor growth and angiogenesis at week 1 (W1) to 3 (W3) of treatment, and reduction of glycolytic metabolism at W1. Escape from treatment was first observed at W3 with increased FDG uptake, followed by tumor growth at week 4 (W4) and resumption of vascular growth at W4-W5. Comparative topographic analyses of PET and co-registered UUI showed that neo-vessels developed preferentially in areas with high FDG uptake. The decrease in maximum vessel length (UUI) and total lesion glycolysis (FDG) at W1 of treatment correlated with tumor volume at week 6 (W6). At W3, the levels of expression of hexokinase 2 (HK2), monocarboxylate transporters 1 and 4 (MCT1, MCT4) and lactate dehydrogenase A (LDHA) increased in sunitinib-treated mice and became similar to those of the vehicle group at W6. In addition, infiltration of surrounding adipose tissue by tumour cells was observed at W3 and W6 of treatment. Both in vivo and in vitro imaging showed that the switch of tumor metabolism to anaerobic glycolysis at W3 occurs prior to escape from the anti-angiogenic effect. In a second part, we examined the cardiotoxic effects of sunitinib. Under treatment, cardiac FDG uptake increased at W1. Interestingly, the level of increase was correlated with the left ventricular mass at W6. At W6, the hearts present increased fibrosis and shortening fraction (SF) suggesting cardiac hypertrophy. In summary, combining longitudinal imaging studies of tumour-bearing mice with histological and molecular analysis demonstrates that the escape of tumours from anti-angiogenic treatment occurs initially through metabolic adaptation, followed by the resuming of tumour and vessel growth. Interestingly, metabolic changes precede both tumour escape and cardiotoxicity. Overall, these results support the use of metabolic imaging for the follow-up of cancer therapy.