Soutenance mémoire
La Chronothérapeutique des cancers
Les Rythmes Circadiens
Les rythmes biologiques d’une période comprise entre 20 et 28 h sont appelés rythmes circadiens, du latin circa diem, environ un jour. La plupart des fonctions physiologiques chez les mammifères présentent une rythmicité circadienne. C’est par exemple le cas de l’alternance activité-repos, de la température corporelle, du rythme cardiaque, de la pression sanguine, de la sécrétion d’enzymes digestives dans le tube gastro-intestinal, de la production d’hormones et de protéines du métabolisme ([1]). Cette régulation circadienne permet une anticipation des besoins énergétiques au cours de la période de 24 h. Elle contribue ainsi à la gestion optimale de l’énergie nécessaire au bon fonctionnement de l’organisme .
Le pacemaker circadien : les noyaux suprachiasmatiques
Le système circadien est contrôlé chez les mammifères par un pacemaker central situé au niveau de l’hypothalamus dans le cerveau : les noyaux suprachiasmatiques (NSC). Les NSC présentent des rythmes endogènes, d’une période définie par le profil génétique de l’individu, comprise entre 23 et 25 h ([2]). L’endogénéité de ces rythmes est démontrée par leur persistance lorsque l’individu est soumis à une constante obscurité. Les NSC sont entraînés par des facteurs environnementaux tels que la lumière, l’activité socioprofessionnel et la prise de nourriture qui recalibrent chaque jour leur période à 24 h ([1]).
L’oscillateur circadien moléculaire
Le pacemaker central que constituent les NSC exerce un contrôle sous la forme de différents signaux physiologiques sur les horloges périphériques (Figure 1.1). En effet, chaque cellule nucléée des organes périphériques est dotée d’une horloge circadienne moléculaire constituée de gènes de l’horloge interconnectés par des boucles de régulation. Ce réseau génique génère, de par sa structure, des oscillations dans la quantité d’ARN messagers et de protéines des gènes de l’horloge. Ces rythmes induisent ensuite des variations dans l’expression d’autres gènes, en particulier ceux impliqués dans le métabolisme des médicaments, le cycle cellulaire, la réparation de l’ADN, l’apoptose et l’angiogénèse ([3]).
Les oscillations circadiennes sont générées par des boucles de rétroaction soit transcriptionnelles soit post-transcriptionnelles. Les gènes de l’horloge peuvent être classés en deux catégories. La catégorie positive se compose des facteurs de transcription BMAL1, CLOCK, et NPAS2, la catégorie négative des gènes cryptochrome (Cry) et période (Per). Les hétérodimères BMAL1- CLOCK ou BMAL1-NPAS2 activent la transcription de Cry et Per. Les protéines CRY et PER s’accumulent alors dans le cytoplasme et forment des complexes hétérotypiques qui inhibent l’action des complexes BMAL1- CLOCK/NPAS2 et répriment ainsi leur propre expression. Cela conduit à une diminution de la quantité de protéines CRY et PER en-dessous de la concentration seuil nécessaire à l’autorépression, ce qui déclenche un nouveau cycle de transcription de Cry et Per (Figure 1.2).
En parallèle, les régulateurs transcriptionnels positifs (BMAL1, CLOCK, NPAS2) et négatifs (CRY, PER) respectivement activent et répriment la transcription du récepteur nucléaire orphelin Rev-Erbα, et probablement celle de Rev-Erbβ. Les protéines REV-ERBα / β répriment ensuite fortement la transcription de Bmal1 et plus modérément celle de Clock ([4]). Ce couplage n’est pas nécessaire pour la génération de rythmes mais contribue à la robustesse de l’horloge moléculaire. Les protéines NONO et les kinases CK1ǫ/δ jouent le rôle d’inhibiteur de CRY1/2 tandis que WDR5 inhibe les protéines PER, ce qui contribue également à la robustesse de l’oscillateur (Figure 1.2, [3]).
Il est à noter que le modèle décrit ci-dessus est encore à l’étude. La possibilité de régulations post-traductionnelles, qui généreraient les variations circadiennes, est notamment actuellement étudiée ([3]).
Persistance des rythmes circadiens in vitro
Les cellules mammifères immortalisées sont dotées d’une horloge circadienne moléculaire qu’il est possible d’étudier en culture. En l’absence de synchroniseurs extérieurs, les millions de cellules qu’une boîte de Petri contient n’oscillent ni avec la même période, ni avec la même phase ([5], [6]). La mesure de l’expression d’un gène sur une telle population non synchronisée prend donc une valeur constante au cours du temps, qui correspond à la moyenne des niveaux du gène dans les cellules, chacune étant à un stade circadien différent. La synchronisation des cellules par un choc sérique (exposition à une grande quantité de nutriments [7]), par des substances chimiques ([8]) ou par des cycles de température ([9]) remet à zéro les horloges moléculaires, qui oscillent dès lors en synchronie, avec une période d’environ 24 h. La mesure de rythmes circadiens dans la population de cellules synchronisées est alors possible pendant plusieurs jours, les cellules se désynchronisant peu à peu au cours du temps. L’unité de temps utilisée est alors le CT (Circadian Time), exprimée en heures après le début de la synchronisation.
Chronotoxicité et chronoefficacité des médicaments anticancéreux
L’organisation circadienne de l’organisme entraîne des rythmes de l’efficacité et de la toxicité de nombreux médicaments anticancéreux, selon leur heure d’administration, dans les modèles pré-cliniques, ainsi que chez l’Homme.
Dans les modèles pré-cliniques
Méthodologie pour l’étude de la chronothérapie chez la souris et le rat
La démonstration expérimentale des changements sur 24 h de la toxicité et de l’efficacité des médicaments anticancéreux implique la synchronisation des souris ou rats, animaux actifs la nuit, par une alternance de 12 h de lumière et 12 h d’obscurité (LD12 :12). Ensuite, la même dose de médicament est administrée à différents groupes d’animaux, qui correspondent à différentes heures circadiennes, aussi appelées temps Zeitgeber (ZT). En général, six heures circadiennes, espacées de 4 h, sont testées. Le temps est exprimé en heures ZT ou en heure après le début de lalumière (HALO, Hours After Light Onset). Des équipements spécifiquement dédiés aux études de chronobiologie permettent un contrôle de la lumière différent pour chaque groupe d’animaux placé sur différentes étagères isolées, de sorte que l’étude des stades circadiens soit effectuée aux horaires adéquats pour l’expérimentateur ([10], figure 1.3).
Chronotoxicité des traitements anticancéreux
La tolérance à au moins 40 agents anticancéreux est modifiée par l’heure circadienne d’administration, chez la souris ou le rat ([1]). La survie et la perte de poids maximale dues à l’administration d’une dose potentiellement létale de chacun de ces médicaments varie d’un facteur 2 à 10 selon l’heure d’injection. Ces larges différences sont observées indépendamment du mode d’administration – oral, intraveineux, intra-peritonéal ou intra-artériel- et du nombre ou de la fréquence des administrations ([3]). La figure 1.4 présente les heures de moindre toxicité et le bénéfice de l’administration chronomodulée pour 16 médicaments anticancéreux chez la souris mâle B6D2F1 (femelle C57BL/6 x mâle DBA2), synchronisée en LD12 :12 ([1]). Les temps optimaux d’administration sont répartis sur la période de 24h et ne peuvent pas être prédits par l’appartenance à une classe pharmacologique ou par les principaux organes cibles de toxicité des médicaments. Les variations circadiennes de la tolérabilité aux agents anticancéreux persistent chez l’animal exposé à une constante lumière, ou à une constante obscurité, ce qui démontre leur endogénéité ([11]). De plus, les agents chimiothérapeutiques administrés de façon combinée présentent une heure de moindre toxicité proche de celle observée lorsqu’ils sont administrés seuls. Ceci fut notamment démontré pour les combinaisons doxorubicin-cisplatin chez le rat, irinotecan-oxaliplatin et gemcitabine cisplatin chez la souris B6D2F1, et docetaxel-doxorubicin chez la souris C3H/He ([1]). Le contrôle circadien des déterminants de la chronotoxicité des agents anticancéreux semble donc persister après l’exposition au premier médicament, du moins lorsque celui-ci est donné à son heure de meilleure tolérabilité.
Chronoefficacité des traitements anticancéreux
L’administration chronomodulée affecte l’efficacité antitumorale d’au moins 28 médicaments anticancéreux chez le rat ou la souris, porteurs de divers types de cancers. La chimiothérapie optimalement dosée et chronomodulée divise au moins par deux la vitesse de croissance tumorale, et augmente significativement la survie des souris porteuses de tumeurs ([1]). La démonstration de cette chronoefficacité est basée sur l’administration durant plusieurs jours ou semaines, d’un seul médicament, ou d’une combinaison d’au plus 4 agents, aux heures circadiennes stipulées ([12]).
La chronoefficacité des agents anticancéreux résulte de différents rythmes circadiens de l’hôte ou de la tumeur ([1]). Tout d’abord, une variation circadienne de l’absorption du médicament dans la tumeur a été démontrée chez le rongeur pour le methotrexate, l’interféron α et le seliciclib . Ensuite, la pharmacodynamie dans la tumeur peut présenter une rythmicité circadienne se traduisant par des variations de la distribution des phases du cycle cellulaire, des concentrations des protéines cibles (TS pour le 5-FU, TOP1 pour l’irinotecan), et de la quantité de récepteurs (interferon α/β). Le facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) présente également une expression rythmée chez les souris porteuses du sarcome 180. Son expression maximale à ZT2 correspond à l’heure de meilleure efficacité antitumorale de trois agents anti-angiogéniques. La disruption de l’horloge circadienne est cependant fréquemment observée dans les populations de cellules cancéreuses, notamment dans des tumeurs à croissance rapide, ou à un stade avancé de leur évolution ([1]). La transcription du gène Clock n’est plus circadienne dans les tumeurs GOS à un stade avancé, ou dans les adénocarcinomes pancréatiques P03. Aucune organisation circadienne n’est observée dans les cellules en phase S des tumeurs GOS ou dans les carcinomes mammaires MA13C. L’expression de la protéine anti apoptotique BCL2 est constante dans les MA13C ; de même pour la concentration de GSH dans les P03 ([1]). Néanmoins, la chronoefficacité des agents anticancéreux demeure robuste dans ces modèles expérimentaux. Ceci pourrait s’expliquer par le fait que le système circadien de l’hôte soit à l’origine des variations circadiennes de l’efficacité dans la tumeur. Une autre hypothèse consiste à dire que l’exposition aux médicaments à certaines heures circadiennes induirait une remise à zéro des horloges circadiennes moléculaires dans la tumeur, et donc une synchronisation, ce qui augmenterait l’efficacité antitumorale. Le schéma circadien d’administration optimale pour la chronoefficacité coïncide généralement avec celui pour la chronotolérance ([1]). Ceci est expérimentalement vérifié pour les combinaisons thérapeutiques irinotecanoxaliplatine, gemcitabine-cisplatine, et docetaxel doxorubicine, trois traitements fréquemment utilisés en clinique ([1]). L’explication de cette concordance est encore à l’étude. Une possibilité serait que l’heure circadienne d’administration induisant la plus faible toxicité induise également la plus faible accumulation intracellulaire dans les tissus sains, du fait des rythmes circadiens des transporteurs d’efflux par exemple. Ainsi, la concentration de médicament circulant dans le sang serait plus élevée et les cellules cancéreuses, qui en général présentent peu de rythmes, seraient donc exposées à une plus forte dose.
Ainsi, les études chronothérapeutiques sur des modèles pré-cliniques concluent en faveur d’un intérêt de la chronomodulation circadienne pour l’amélioration des traitements anticancéreux, ce qui a été étudié chez l’Homme.
En clinique
Plus d’une centaine d’essais clinique de phase I et II ont étudié la chronothérapeutique des cancers chez des patients atteints de cancers avancés ou métastatiques. Des études randomisées de phase III ont comparé les schémas d’administration chronomodulés à des protocoles administrés indépendamment du temps circadien. Cependant, le patient et les institutions hospitalières contrôlent de façon implicite, les traitements non-chronomodulés, par leur propre rythme circadien ([1]). L’administration constante d’un médicament durant un multiple de 24 h n’est, au contraire, pas influencée par le temps circadien et constitue, de ce fait, un excellent modèle pour la comparaison avec les schémas de chronothérapeutique.
Technologies d’administration chronomodulée en clinique
La conception de pompes programmables à plusieurs canaux a permis le développement clinique de la chronothérapeutique des cancers. Ces pompes délivrent plusieurs médicaments, selon des schémas préalablement programmés par ordinateur (administration constante, semi-sinusoïdale, linéairement croissante ou décroissante). Elles permettent ainsi un traitement en dehors du milieu hospitalier, qui nécessite peu de soins médicaux et infirmiers.
La première pompe à avoir été développée pour la chronothérapeutique est la pompe IntelliJectTM (Aguettant, Lyon, France) qui contient quatre réservoirs de 30 mL. Elle a servi pour l’administration du premier schéma 5-FU-leucovorin-oxaliplatin, permettant ainsi la démonstration de la sureté et de l’efficacité de cette chimiothérapie chronomodulée. L’approbation par l’Union Européenne et l’Amérique du Nord de la pompe IntelliJect a permis son utilisation pour les chimiothérapies conventionnelles et pour l’évaluation de l’administration chronomodulée de 5-FU leucovorin-oxaliplatin (chronoFLO) lors d’essais cliniques internationaux.
Les pompes MélodieTM (Aguettant, Lyon, France) constituent une seconde génération. Elles présentent de meilleures performances en terme d’autonomie d’énergie, de capacité de réservoirs, de rapidité de programmation, et de flexibilité dans les schémas programmés (Figure 1.5). Ces pompes permettent également une sauvegarde informatique de l’historique des protocoles administrés et des données du patient. Enfin, un dispositif de pompes pré-programmées, à usage unique, est également disponible et approuvé par l’Union Européenne. Bien que prêtes à l’emploi, ces pompes jetables ont un désavantage écologique évident, ainsi qu’un manque de flexibilité dans les profils d’administration. Les pompes MélodieTM, ainsi que les pompes à usage unique, sont actuellement utilisées dans les pratiques hospitalières en oncologie et lors d’essais cliniques multicentriques ([1]) .
Les médicaments à prise orale semblent également tirer partie de la chronomodulation. En effet, les fluoropyrimidines orales (prodrogues orales du 5-FU) semblent être mieux tolérées lorsque leur exposition systémique a lieu la nuit ([1]). Cependant, l’administration nocturne, lorsque le patient dort, requiert le développement et l’utilisation de dispositifs spécifiques. De nouveaux systèmes d’administration oraux, dits pulsatifs, libèrent le principe actif du médicament un laps de temps prédéterminé après l’ingestion et ont prouvé leur intérêt dans le cas de la chronothérapeutique ([1]).
Chronotolérance et chronoefficacité chez les patients cancéreux
La plupart des essais cliniques multicentriques compare, de façon randomisée, un schéma chronothérapeutique à une infusion constante mettant en jeu les mêmes doses de médicaments, sur la même durée de traitement.
Deux essais randomisés internationaux de phase III ont comparé le schéma d’administration chronomodulée chronoFLO5 à un schéma constant équivalent, chez 278 patients atteints de cancer colorectal métastatique ([1]). Le schéma ChronoFLO5 consiste en l’administration durant 5 jours consécutifs d’oxaliplatine, de 5-FU et de leucovorine, chaque médicament étant infusé suivant une courbe en cloche d’une durée de 11.5 h, qui atteint son maximum à 16 h pour l’oxaliplatine et 4 h du matin pour le 5-FU et la leucovorine (Figure 1.6). Ces heures circadiennes ont été adaptées d’études expérimentales chez la souris mâle ([3]). L’autre cohorte de patients a reçu les mêmes doses des trois agents thérapeutiques de façon constante durant 5 jours. L’administration chronomodulée a réduit l’incidence des mucites (i.e. inflammation des muqueuses digestives, notamment orales) de grade 3-4 par un facteur 5, et celle des neuropathies sensorielles périphériques (i.e. engourdissement/sensations de brûlure des bouts des doigts des pieds et des mains) d’un facteur 2. Le plus important essai clinique montre aussi une division par 3 du nombre d’hospitalisations dues aux effets toxiques du traitement, avec le schéma chronomodulé ([1]).
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Table des matières
Introduction
1 La Chronothérapeutique des cancers
1.1 Les Rythmes Circadiens
1.1.1 Le pacemaker circadien : les noyaux suprachiasmatiques
1.1.2 L’oscillateur circadien moléculaire
1.1.3 Persistance des rythmes circadiens in vitro
1.2 Chronotoxicité et chronoefficacité des médicaments anticancéreux
1.2.1 Dans les modèles pré-cliniques
1.2.2 En clinique
1.2.3 Modélisation mathématique pour la personnalisation des traitements chronomodulés
1.3 Le médicament anticancéreux Irinotecan
1.3.1 Découverte et usage clinique de l’Irinotecan
1.3.2 La pharmacocinétique-pharmacodynamie moléculaire de l’irinotecan
1.3.3 Chronotoxicité et chronoefficacité de l’irinotecan
1.3.4 Résistance acquise à l’Irinotecan
2 Optimisation de l’exposition circadienne de cultures de cellules Caco-2 à l’irinotecan
2.1 Motivations
2.1.1 Preuve de concept in vitro
2.1.2 Mise en oeuvre de l’approche combinée
2.2 Le modèle mathématique de la PK-PD moléculaire du CPT11
2.2.1 Modélisation de la pharmacocinétique
2.2.2 Modélisation de la pharmacodynamie
2.2.3 Modélisation de la rythmicité circadienne des protéines
2.2.4 États d’équilibre
2.3 Étude expérimentale de la PK-PD de l’irinotecan sur des cellules Caco-2
2.3.1 PK-PD du CPT11 dans des cellules non-synchronisées
2.3.2 Contrôle circadien de la PK-PD du CPT11 dans des cellules synchronisées
2.4 Estimation des paramètres du modèle mathématique, par comparaison aux données expérimentales
2.5 Optimisation théorique de l’exposition circadienne des Caco-2 au CPT11
2.6 Discussion et perspectives
2.7 Etude de la résistance acquise au CPT11
2.7.1 Motivations
2.7.2 Ajout d’un modèle d’induction des transporteurs ABC par le CPT11
2.7.3 Stratégies thérapeutiques théoriquement optimales en cas de multirésistance
2.7.4 Discussion
2.7.5 Conclusion
2.7.6 Résultats expérimentaux sur culture de cellules Caco-2
2.8 Etude de l’équilibre des formes lactone et carboxylate du CPT11
3 Vers l’optimisation de l’administration chronomodulée du CPT11 chez la souris
3.1 Motivations
3.2 Le modèle mathématique « corps entier » à base physiologique de la PK-PD du CPT11
3.2.1 Modélisation de la PK « corps entier » du CPT11
3.2.2 Modélisation de la PD « corps entier » du CPT11
3.2.3 Modélisation des concentrations de protéines de la pharmacologie du CPT11
3.2.4 État initial
3.3 Estimation des paramètres pour la classe 2
3.4 Discussion et perspectives
4 Étude du contrôle de l’oncogène SRC sur la voie mitochondriale de l’apoptose
4.1 Motivations
4.2 L’oncogène SRC et la voie mitochondriale de l’apoptose
4.2.1 La tyrosine kinase SRC
4.2.2 La voie mitochondriale de l’apoptose et les protéines de la famille BCL2
4.3 Etude expérimentale et mathématique de la voie mitochondriale de l’apoptose dans les fibroblastes NIH-3T3 parentaux et transformés
4.3.1 Méthodes expérimentales
4.3.2 Protéines de la famille BCL2 présentes dans les fibroblastes NIH-3T3 transformés ou non
4.3.3 Cinétique de BIK en conditions non-apoptotiques
4.3.4 Comportement de BIK suite à un stress apoptotique
4.3.5 Modèle mathématique de la voie mitochondriale de l’apoptose
4.3.6 Stratégies thérapeutiques optimales
4.4 Discussion et conclusion
Conclusion
