PROGRESSION TUMORALE ET METASTASE F. PEDEUTOUR DCEM1-17/10/2011

Métastogenèse : dissémination de cellules néoplasiques dans un site secondaire non contigu et distant, au sein duquel ces cellules prolifèrent Cascade d’évènements aboutissant à la formation de tumeurs secondaires 1.Etapes d’extension locale de la tumeur primaire : prolifération, perte d’adhésion cellulaire, néoangiogenèse, mobilité, migration 2. Passage dans la circulation : intravasation, circulation, survie, transport, extravasation 3. Implantation et prolifération dans des sites à distance

Les principales théories de l’invasion métastatique * « seed and soil » Paget, 1889 : les cellules tumorales (graines, seeds) ne sont pas disséminées au hasard mais s’implantent dans certains organes donnés (soil) ou elles trouvent un terrain favorable Aujourd’hui, le concept de « niche prémétastatique » rejoint ce concept ancien *Sélection clonale : les cellules à potentiel métastatique vont être sélectionnés au fil de la progression tumorale et donner naissance à des clones tumoraux métastatiques *Signature métastatique (Bernards et Weinberg, 2002) : l’acquisition du potentiel métastatique est un événement très précoce, inscrit dans le génome de la tumeur et se traduisant par un profil d’expression génique particulier : « signature métastatique »

Invasion métastatique Phénomène sélectif qui dépend des caractéristiques de la cellule tumorale primaire et de la réponse des cellules l’hôte

I. L’extension locale

Franchissement de la membrane basale Envahissement du stroma peri-tumoral, envahissement progressif des tissus voisins Induction de la formation de nouveaux vaisseaux Tumeur invasive Carcinome in situ Dysplasie Hyperplasie Tissu normal I. Extension locale

Franchissement de la membrane basale Envahissement du stroma peri-tumoral, envahissement progressif des tissus voisins Induction de la formation de nouveaux vaisseaux Tumeur invasive Carcinome in situ Dysplasie Hyperplasie Tissu normal Anomalies génétiques ou épigénétiques I. Extension locale

Stimulation des cellules cancéreuses Stimulation endocrine (ex : tumeurs hormono-sensibles) Stimulation paracrine Stimulation Autocrine CSF1 IL2 PDGF… Trois types de stimulation

I.Extension locale Principaux éléments nécessaires à l’extension 1.Mobilité par formation de pseudopodes Accumulation de micro-filaments sous la membrane plasmique Action de facteurs autocrines de mobilité et de facteurs chimiotactiques

I.Extension locale Principaux éléments nécessaires à l’extension 1.Mobilité par formation de pseudopodes accumulation de micro-filaments sous la membrane plasmique action de facteurs autocrines de mobilité et de facteurs chimiotactiques 2. Capacité à dégrader la matrice extra-cellulaire par des protéases

Capacité à dégrader la matrice extra-cellulaire par des protéases Principaux éléments nécessaires à l’extension locale Phénomène direct Collagénases Métalloprotéases Enzymes lysosomiaux Enzymes produites par : *les cellules tumorales *les cellules stromales activées (ex : fibroblastes) *des cellules de l’inflammation La capacité de dégradation est dépendante de l’équilibre entre enzymes et inhibiteurs tissulaires spécifiques EI E I

Capacité à dégrader la matrice extra-cellulaire par des protéases Principaux éléments nécessaires à l’extension locale Phénomène direct Collagénases Métalloprotéases Enzymes lysosomiaux Enzymes produites par : *les cellules tumorales, ou *les cellules stromales activées (ex : fibroblastes), ou *des cellules de l’inflammation La capacité de dégradation est dépendante de l’équilibre entre enzymes et inhibiteurs tissulaires spécifiques Phénomène indirect exemple : ostéolyse maligne par stimulation des ostéoclastes E I EI

I.Extension locale Principaux éléments nécessaires à l’extension 1.Mobilité par formation de pseudopodes accumulation de micro-filaments sous la membrane plasmique action de facteurs autocrines de mobilité et de facteurs chimiotactiques 2. Capacité à dégrader la matrice extra-cellulaire par des protéases 3. Néoangiogenèse

Vaisseaux sanguins molécules de signalisation Petite tumeur localisée Vaisseaux sanguins Développement tumoral angiogenèse 3. Néoangiogenèse 1971, Folkman Tumeur > 1mm Développement de néo-capillaires pour assurer nutrition, oxygénation et élimination des déchets cellulaires

Bourgeonnement Organisation des néo-vaisseaux en structure tubulaire migration des cellules endothéliales Prolifération des cellules endothéliales 3. Néoangiogenèse

Inhibiteurs Angiostatine Endostatine Thrombospondine Facteurs angiogéniques VEGF (vascular endothelial growth factor) Angiopoïétines Régulation complexe avec coordination de facteurs angiogéniques (stimulateurs de l’angiogenèse) et angiostatiques inhibiteurs de l’angiogenèse) VEGF : Perméabilité vasculaire Prolifération et la migration des cellules endothéliales Apoptose des cellules endothéliales A I AI Equilibre Rupture d’equilibre « switch » angiogénique

3. Néoangiogenèse *Marqueur de l’appréciation de l’agressivité d’une tumeur * Intérêt thérapeutique pour bloquer l’invasion tumorale ou les métastases ex : *anticorps monoclonaux anti-VEGF (bevacizumab; Avastin ®) *inhibiteurs multi-cible de la fonction tyrosine kinase de différents effecteurs, dont les récepteurs du VEGF sunitinib (Sutent®), sorafenib (Nexavar ® ) ….et …axe de recherche important

I.Extension locale Principaux éléments nécessaires à l’extension 1.Mobilité par formation de pseudopodes accumulation de micro-filaments sous la membrane plasmique action de facteurs autocrines de mobilité et de facteurs chimiotactiques 2. Capacité à dégrader la matrice extra-cellulaire par des protéases 3. Néoangiogenèse 4. Modifications de protéines membranaires ou transmembranaires

4. Modifications de protéines membranaires ou transmembranaires Principaux éléments nécessaires à l’extension locale Cohésion cellulaire et architecture cellulaire normale Adhésion inter-cellulaire et au substratCD44 Intégrines Complexe cadhérine-caténine Perte d’adhésion et de cohérence des cellules tumorales : mobilité et invasion

4. Modifications de protéines membranaires ou transmembranaires Concept de transition épithélio-mésenchymateuse Epithelium : tissu constitué de cellules étroitement juxtaposées, jointives (fonctions de revêtement et glandulaire). Cellules polarisées Mésenchyme : tissu de remplissage et de soutien. Motilité, absence de polarisation et de jointivité entre cellules. Transition épithélio-mésenchymateuse tumorale : les cellules épithéliales acquièrent un phénotype de type mésenchymateux, plus mobile, qui donnerait une capacité métastatique -perte E-cadhérine -stimulation par TGFB, PI3K… Principaux éléments nécessaires à l’extension locale

4. Modifications de protéines membranaires ou transmembranaires Cadhérines et caténines : CAM (cell adhésion molecules) E-cadhérine : Protéine transmembranaire Liaison inter-cellulaire stable et forte Interaction avec E-cadhérine d’une cellule voisine par formation d’un complexe avec la caténine Perte de cadhérine sur certaines cellules tumorales : -réduction de l’adhésion entre cellules -migration de caténine vers le noyau et activation -dédifférenciation -invasion facilitée -rôle dans transition épithélio-mésenchymateuse (?) Principaux éléments nécessaires à l’extension locale

4. Modifications de protéines membranaires ou transmembranaires Intégrines Glyco-protéines membranaires Rôle dans interactions cellules-cellules et cellules-matrice Rôle physiologique +++ (embryogenèse, cicatrisation…) cellules tumorales : mobilité et propriétés invasives Cellules cancéreuses : modifications spatiales et quantitatives Famille CD 44 (proteoglycans) Rôle dans phénomènes immunitaires, adhérence à la matrice Régulateur de la croissance et de l’invasion cellulaire Expression augmentée dans les cancers, agit comme co-récepteur de facteurs de croissance Isoformes particulières : liées au pouvoir métastasiant Principaux éléments nécessaires à l’extension locale

Mécanismes de l’extension Facteurs géniques Facteurs protéiques Microenvironnement tumoral

Mécanismes de l’extension Dans certaines situations physiologiques : Envahissement progressif d’un tissu voisin par dégradation de la matrice extra-cellulaire Implantation du placenta dans muqueuse utérine Migration cellulaire lors de l’embryogenèse Migration leucocytaire lors de l’infection Cicatrisation Processus physiologique : Stimulation contrôlée par gènes régulateurs + - Cellules malignes : expression dérégulée, perte de gènes inhibiteurs ++++ Facteurs géniques

Mécanismes de l’extension Facteurs protéiques Extension locale préférentiellement le long des cloisons des gaines vasculaires et nerveuses, péritoine, plèvre Os, cartilage : meilleure résistance à l’invasion par contiguïté Structure collagène Synthèse inhibiteur tissulaire des métalloprotéases Invasion dépendante de l’équilibre entre protéase/inhibiteur tissulaire de métalloprotéases

Mécanismes de l’extension Microenvironnement tumoral Hypoxie+++ Teneur en oxygène dans les cellules tumorales : Rôle +++ dans les 1ères étapes de l’invasion ex : inhibition E-cadhérine

Mécanismes de l’extension Microenvironnement tumoral Inflammation Rôle des cellules inflammatoires dans la progression tumorale

I. Extension locale II. Métastases

FORMATION DES METASTASES Phénomène précoce/tardif Tumeur primaire cliniquement indétectable : possibilité que de nombreuses cellules aient déjà essaimées : concept de tumeur « dormante » et de tumeur résiduelle minime Cellules restant quiescentes dans l’organe à distance : présence de micrométastases préangiogéniques La prolifération des es cellules « dormantes » est contrôlée par un équilibre favorable à l’apoptose ou la régulation immunitaire ; Se développent si rupture d’équilibre (switch angiogénique) Pourrait expliquer la survenue de métastases après un délai de plusieurs années (parfois >10 ans).

Selon la chronologie d’apparition des métastases par rapport à la tumeur primitive : Métastases prévalentes ou révélatrices 15 à 30% des cancers cancer d’origine reste parfois inconnu Métastases synchrones présentes au diagnostic Métastases tardives ou métachrones liées au développement de micrométastases présentes au diagnostic parfois 20 ans après le début clinique

METASTASES Identification d’une « signature métastatique ». Expression particulière de 17 gènes « Signature moléculaire métastatique » Transcriptome : etude de l’expression de gènes à partir d’extraction d’ARN de tumeurs et hybridation sur biopuces à ADN Certains gènes ont une expression augmentée, d’autres au contraire une expression diminuée Dans les tumeurs solides : profil caractéristique des tumeurs ayant métastasé ou ayant un potentiel métastatique élevé. S. Ramaswamy et al., Nature Genetics, 33, 49, 2003

METASTASES Ainsi, le profil d’expression d’un tout petit nombre de gènes révèlerait d’emblée le potentiel métastatique d’une tumeur primitive

METASTASES Hétérogénéïté du pouvoir métastasiant des cellules tumorales Injection intra-veineuse d’un même nombre de cellules tumorales issues d’une même tumeur à des souris : nombre de métastases très variable indépendant de l’hôte Expérience princeps de Fidler et Kripke, 1977 A l’origine de la théorie de « sélection clonale »

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES Relative inefficacité du processus métastatique Formation de métastases : phénomène actif, sélectif multi-étapes Paradoxalement « inefficace »

METASTASES Relative inefficacité du processus métastatique Formation de métastases : processus hautement sélectif Dépendant : -des caractéristiques des cellules tumorales -de l’organe cible d’implantation -de l’hôte (rôle des défenses immunitaires) Formation de métastases : « Parcours du combattant « Etapes multiples

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 1. DETACHEMENT DE LA TUMEUR PRIMITIVE D’UNE OU PLUSIEURS CELLULES NEOPLASIQUES 2.SELECTION DES CETTE ETAPE, SELON CAPACITES D’ADAPTATION Favorisé par perte de cohésion, mobilité, destruction de la matrice extra-cellulaire D’après Castells et Rustgi

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 3.FRANCHISSEMENT DE LA PAROI VASCULAIRE OU LYMPHATIQUE : 2 grandes voies de dissémination Néo-vaisseaux sanguins perméables+++ Vaisseaux lymphatiques à la périphérie des tumeurs VOIEHEMATOGENE VOIELYMPHATIQUE intravasation Extension de proche en proche le long des vaisseaux lymphatiques L’une ou l’autre voie préférentielle selon les tumeurs

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 4. CELLULES EN TRANSIT DANS LA CIRCULATION Cellules isolées ou en microagrégats Doivent résister aux facteurs mécaniques circulatoires turbulences, projections Doivent résister à pression partielle en oxygène Ex : Cellules tumorales marquées *10 6 injectées dans cœur gauche de rat : -<2% dans poumon -pas de métastase pulmonaire car cellules non viables *10 4 injectées en voie veineuse : -métastases O2

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 5. ARRET DANS LES CAPILLAIRES ET FIXATION A LA PAROI VASCULAIRE Adhésion aux cellules endothéliales favorisée par micro-caillots de fibrine et plaquettes

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 6. RETRACTION DES CELLULES ENDOTHELIALES Fixation des cellules tumorales à la membrane basale Ex: par récepteurs à la laminine

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 7. MIGRATION A TRAVERS LA PAROI CAPILLAIRE Pénétration du tissu avoisinant similaire à l’invasion locale mobilité protéases néoangiogenèse

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 8. NOUVELLE SELECTION TUMORALE Les foyers métastatiques ne siègent pas dans n’importe quel organe : spécificité d’organe cible qui dépend du type tumoral ; lié à la présence de facteurs de croissance (stimulation paracrine ou endocrine) - - Environnement défavorable + + Environnement favorable

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 9. FORMATION D’UNE METASTASE Peut être à l’origine d’une invasion locale ou de nouvelles métastases (métastases de métastases) Développement immédiat ou retardé ; Mécanisme ? Environnement favorable : Formation d’une tumeur secondaire ou métastase

ETAPES DE LA FORMATION DE METASTASES 10. EXPOSITION AU SYSTEME IMMUNITAIRE DURANT TOUTES CES ETAPES Lymphocytes T-helper Lymphocytes T cytotoxiques Cellules NK (natural killer) Cellules lymphokine activated killer (LAK) Tumor infiltrating lymphocytic (TIL) Anticorps cytotoxiques Contact entre cellules tumorales et système immunitaire à toutes les étapes du développement et de la dissémination

STRUCTURE TISSULAIRE DES METASTASES Structure bien différenciée : -proche du tissu normal où s’est formé la métastase -permet d’identifier l’origine de la métastase (ex: carcinome papillaire de la thyroïde…) -peu fréquent Structure peu différenciée : -fréquent lors de métastase prévalente (s’exprimant cliniquement avant la tumeur primitive) -recherche de la tumeur primitive difficile Structure différenciée différemment de la T primitive : -rare -tumeurs embryonnaires avec cellules à potentialités différentes

I. Extension locale Stimulation des cellules cancéreuses Principaux éléments nécessaires à l’extension II. Métastases III. Distribution anatomo-clinique des métastases

Sites préférentiels de métastases pour chaque type de cancer dépendent de : Facteurs anatomiques Affinités biologiques (récepteurs spécifiques ?) Connaissance de ces affinités : adaptation du bilan clinique à la recherche de métastases ex : cancer du sein recherche de métastases osseuses, pulmonaires hépatiques cancer digestif recherche de métastases hépatiques

III. Distribution anatomo-clinique des métastases Voie lymphatique : voie de dissémination essentielle pour les carcinomes Relais gangionnaires régionaux destruction fixation ganglions efférents relais successifs canal thoracique circulation sanguine parfois à contre-courant

III. Distribution anatomo-clinique des métastases Ganglion sentinelle (cancer du sein, mélanome malin) Lors de l’ablation de la tumeur : injection au site tumoral d’un colorant ou produit radio-actif Repérage au site anatomique de drainage le premier ganglion coloré ou marqué et ablation Examen histologique extemporané Pas d’atteinte métastatique Risque métastatique à distance réduit Pas de curage ganglionnaire Evite les séquelles potentielles d’un traitement lourd Atteinte métastatique Curage ganglionnaire

III. Distribution anatomo-clinique des métastases Voie sanguine ou hématogène : voie essentielle de dissémination des sarcomes très importante aussi pour les carcinomes Dissémination par voie directe ou par voie lymphatique La dissémination ne se fait pas au hasard 4 organes cibles principales : poumon foie os cerveau

III. Distribution anatomo-clinique des métastases Travaux de l’équipe de J. Massagué : L’expression d’un groupe de gènes particuliers est liée à la localisation métastatique pulmonaire de certains cancers du sein. Sélection, à partir d’une lignée cellulaire de cancer du sein, de cellules ayant métastasé au niveau des poumons, et étude de leur profil transcriptionnel sur biopuces à ADN: Profil d’expression sélective de 95 gènes qui identifient et permettent la formation de métastases pulmonaires dans les cancers du sein. Signature moléculaire des sites préférentiels métastatiques

METASTASES Phénomène coopératif à étapes multiples Pouvoir métastasiant acquis lors de la croissance tumorale Combinaison d’expression de différents gènes Oncogènes (ex : RAS) Gènes suppresseurs de métastases (ex : NM23) in vitro : surexpression de NM23 Motilité cellulaire Capacités invasives Différenciation des cellules tumorales NB : fonction physiologique de NM23 (identifiée a posteriori du rôle suppresseur de métastases): kinase catalysant la synthèse des nucléosides triphosphates

Modèles d’études expérimentaux Les modèles animaux vont utiliser l’injection de cellules cancéreuses -soit dans un site tissulaire identique à celui de la tumeur primitive (ex : glande mammaire) : injections orthotopiques -soit directement dans la circulation générale si l’on veut étudier les phases plus tardives du phénomène. Identification d’altérations moléculaires dans les cellules cancéreuses qui contribuent à leur capacité à produire des métastases Utilisation de la vidéomicroscopie in vivo : étude du comportement des cellules métastatiques.