Etude du potentiel pro-apoptotique et radiosensibilisateur de quatre candidats-médicaments régulateurs des microtubules, sur des cellules de cancer du sein

Pro-apoptotic and radiosensitizing potential of four candidate microtubule regulators in breast cancer cells

• Auteur / Autrice : Elsie Nolte
• Direction : Laurence Paturle-Lafanechère, Anne Mercier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 20/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec University of Pretoria
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Coll
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Paturle-Lafanechère, Anne Mercier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siamak Haghdoost, Megan Jean Bester, John Akudugu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mort cellulaire

Anticancéreux

Mots clés libres

Cancer

Radiosensibilisation

Dynamique des microtubules

Apoptose

Lésions de l'ADN

Cancer

Radiosensitization

Microtubule dynamics

Apoptosis

DNA damage

Résumé

Les agents ciblant les microtubules sont des médicaments anticancéreux efficaces. Leur utilisation dans le cadre d’un traitement combiné avec des rayonnements ionisants est également une stratégie prometteuse. Cependant, l’apparition de résistances aux produits chimiques et aux radiations nécessite de rechercher d'autres types de traitements. Nos laboratoires ont récemment décrit deux médicaments qui ciblent directement ou indirectement les microtubules. Premièrement, un analogue du 2-méthoxyestradiol, un poison de fuseau se liant à des microtubules et provoquant la formation de fuseaux mitotiques anormaux. Il s'agit du 2-éthyl-3-O-sulphamoyle-estra-1,3,5 (10) 16-tétraène (ESE-16). Deuxièmement, le 9-benzoyloxy-5,11-diméthyl-2H, 6H-pyrido [4,3-b] carbazol-1-one (LimPyr1), un nouvel inhibiteur des LIM kinases induisant indirectement la stabilisation des microtubules. Il a été démontré récemment que LimPyr1 est actif sur les modèles de cancer du sein résistants au taxol. En tant que médicaments ciblant les microtubules, les deux agents, ESE-16 et LimPyr1, induisent des défauts mitotiques. Nous émettons donc l’hypothèse qu’ils pourraient sensibiliser les cellules aux radiations. Le but de ce projet de thèse était de vérifier cette hypothèse et, plus précisément, de déterminer si de faibles doses de ESE-16 et de LimPyr1 pourraient augmenter l'apoptose et retarder la réparation nucléaire induite par le rayonnement dans les cellules du cancer du sein in vitro.Différentes lignées cellulaires cancéreuses, les cellules MCF-7, MDA-MB-231 et BT-20, ont été exposées à ESE-16 et à LimPyr1 pendant 24 heures avant un rayonnement de 8 Gy. Les effets de ces combinaisons thérapeutiques ont été comparés à ceux obtenus à partir de cellules exposées aux composés seuls ou aux seules radiations. L'activation des voies de survie et des voies apoptotiques intrinsèques a été étudiée. Les résultats ont révélé une augmentation de la signalisation de la survie et de la mort dans les cellules exposées aux traitements individuels. Les traitements combinés ont diminué la survie des cellules alors que la signalisation apoptotique augmentait, entraînant une augmentation de l'apoptose. En outre, les traitements combinés ont augmenté de manière significative la présence de micronoyaux dans les cellules BT-20, indiquant une augmentation des dommages à l'ADN. Les cellules MCF-7 et MDA-MB-231 présentent une formation de micronoyaux similaire lorsqu'elles sont exposées à la combinaison de traitements ou au rayonnement uniquement. La phosphorylation de H2AX (γH2AX) (normalement augmentée lors de dommages à l'ADN) et l'expression de Ku70 (nécessaire pour la réparation de l'ADN) étaient diminuées dans les cellules de cancer du sein prétraitées 2 heures après l'irradiation par rapport aux cellules exposées à l'irradiation uniquement. L'expression de H2AX et Ku70 est cependant significativement accrue 24 heures après irradiation des cellules prétraitées par rapport aux cellules exposées aux traitements individuels. Des expériences portant sur la réponse adaptative ont révélé que LimPyr1 diminuait le développement de la résistance aux radiations en augmentant la perméabilité transmembranaire mitochondriale et en générant des ROS, un mécanisme qui n'est pas observé dans cellules traitées par ESE-16. Nous avons également observé une communication intercellulaire entre les cellules exposées au rayonnement et les cellules non exposées via l'effet induit par le rayonnement.En conclusion, le blocage mitotique partiel induit par ESE-16 et LimPyr1 rend les chromosomes plus exposés aux dommages dus aux radiations, comme l'indique l'augmentation de la présence de micronoyaux. De plus, les deux composés diminuent la signalisation et le trafic des protéines de protection et de dommages à l'ADN. En outre, LimPyr1 empêche le développement de résistances aux radiations dans les cellules exposées aux radiations.

Microtubule targeting agents are effective anti-cancer drugs. Their use as part of a combined treatment modality with ionising radiation is also a promising strategy. However, the emergence of resistance to chemical and radiation requires searching for alternative treatments. Our laboratories have recently described two drugs that directly or indirectly target the microtubules. Firstly, an analogue of 2-methoxyestradiol, a spindle poison binding to microtubules and causing the formation of abnormal mitotic spindles. This is 2-ethyl-3-O-sulphamoyl-estra-1,3,5 (10) 16-tetraene (ESE-16). Secondly, 9-benzoyloxy-5,11-dimethyl-2H, 6H-pyrido [4,3-b] carbazol-1-one (LimPyr1), a novel inhibitor of LIM kinases indirectly inducing microtubule stabilization. It has been recently shown that LimPyr1 is active on taxol-resistant breast cancer models. As microtubule-targeting drugs, both agents, ESE-16 and LimPyr1, induce mitotic defects. We thus hypothesize that they could sensitize cells to radiation. The aim of this PhD project was to test that hypothesis and, more specifically, to investigate whether low-dose ESE-16 and LimPyr1 could increase apoptosis and delay nuclear repair induced by radiation in breast cancer cells in vitro.Various cancer cell lines, MCF-7-, MDA-MB-231- and BT-20 cells, were exposed to ESE-16 and LimPyr1 for 24-hours prior to 8 Gy radiation. The effects of these combination therapies were compared to those obtained from cells exposed to the compounds alone or only to radiation. The activation of the survival and intrinsic apoptotic pathways were investigated. Results revealed an increase in survival and -death signaling in cells exposed to the individual treatments. The combination treatments decreased the cell survival while apoptotic signaling was increased, resulting in increased apoptosis. Furthermore, the combination treatments significantly increased the presence of micronuclei in BT-20 cells, indicating an increase in DNA damage. MCF-7- and MDA-MB-231 cells displayed similar micronuclei formation when exposed to the combination treatments or radiation only. Phosphorylation of H2AX (γH2AX) (normally increased upon DNA damage) and Ku70 expression (required for DNA repair) were decreased in pretreated breast cancer cells 2 hours after irradiation compared to cells exposed to irradiation only. The expression of H2AX and Ku70, however, is significantly increased 24 hours after irradiation of the pretreated cells relative to the cells exposed to the individual treatmentsExperiments investigating the adaptive response revealed that LimPyr1 decreased radiation resistance development by increasing the permeability of the mitochondrial transmembrane (flow cytometry measuring Mitocapture™) and the generation of ROS (flow cytometry employing hydroethidine), a mechanism not observed in ESE-16 pre-treated cells. We also observed an intercellular communication between cells exposed to radiation and non-exposed cells via the radiation induced bystander effect.In conclusion, the anti-mitotic effect of ESE-16 and LimPyr1 renders the chromosomes more exposed to radiation damage, as assessed by the increased occurrence of micronuclei. Moreover, both compounds decrease the signaling and trafficking of DNA damage and repair proteins. Additionally, LimPyr1 prevented the development of radiation resistance in cells exposed to radiation.