INVASION METASTATIQUE DU TISSU OSSEUX :

ROLE DES INTERACTIONS CELLULES / CELLULES ET CELLULES/MATRICE

Journées pédagogique et scientifique AE2BM Marseille 2006

S. KAMEL

Unité de recherche sur les mécanismes de la résorption osseuse (URMRO) INSERM ERI 12

Faculté de Pharmacie - Amiens

- Métastases osseuses = complications de nombreux cancers

Tumeurs solides (sein, prostate)

hémopathies malignes (myélome multiple)

- Tissu osseux = site secondaire +++ (ostéophilie)

- Les métastases sont responsables :

- Fractures ++

- Douleurs osseuses ++

- syndromes de compression nerveuse

- Episodes d’hypercalcémie

Morbidité +++

- Traitements très difficiles et encore rares

Problème majeur de santé publique

EPIDEMIOLOGIE DES METASTASES OSSEUSES

Myélome 95-100% 2

Sein 65-75% 3,5-3,8

Prostate 65-75% 3

Thyroïde 60%

Poumon 30-40%

Rein 20-25%

Mélanome 14-45%

Incidence dans la maladie

avancée

Morbidité osseuse (évènements osseux /an)

Processus métastatique général

Dissémination lymphatique

Métastase ganglionnaire

Dissémination hématogène

Métastase primaire à distance

Métastase secondaire à

distance

Tumeur primitive

(Pantel, Nat. Rev. Cancer,2004)

Physiopathologie de l’établissement de la métastase dans le tissu osseux

Tumeur primitiveOrgane cible =

cavités médullaires

Prolifération

Invasion

Angiogenèse

Intravasation

Micro-environnement

médullaire

Extravasation

Adhésion

Echanges d’informations biologiques

Etablissement de la métastase osseuse :

- Ostéolytique

- Ostéocondensante

- Mixte

Organe cible =tissu osseux

circulation

Ostéophilie des cellules tumorales : de vieux concepts …

Sir Stephen Paget 1889 : le père du « homing »

Théorie du « seed and soil »

La graine = cellule cancéreuse : propriétés d’adressage vers le tissu osseux.

Le sol = le micro-environnement osseux : terrain fertile à la croissance tumorale.

Facteurs favorisant l’adressage spécifique des cellules tumorales dans le tissu osseux ? (rôle des chimiokines,

des intégrines)

Van’t Veer et al. Nature 2002 : signature génique de l’agressivité d’une tumeur du sein (gènes contrôlant le cycle cellulaire, l’angiogenèse et l’invasion tumorale).

Kang et al. Cancer cell, 2003 Minn et al. JCI, 2005 : étude sur la lignée MDA-MB231 Inoculation intra-cardiaque des Cellules MDA-MB231à la souris Nude

-Etudes avec puces à DNA:

-Sélection d’un clone cellulaire hautement métastatique

- Analyse génique : Interleukine 11 (IL11) , le connective tissue

growth factor (CTGF), MMP1, ostéopontine, CXCR4

- Acquisition du phénotype métastatique osseux

Rôle de CXCR4

Récepteur de chimiokines exprimé +++ par les cellules

fortement invasives

SDF-1 (stromal derived factor) produit en quantité

importante par les cellules médullaires

Anticorps anti-CXCR4 diminue l’invasion métastatique

(organes lymphoïdes, poumon) dans un modèle de souris

Expression de CXCR4 stimulée par des facteurs présents

dans la matrice osseuse

Rôle de l’intégrine alpha V ß3

Pecheur et al. FASEB, 2002

Surexpression alpha V beta 3ostéolyse intense

Pecheur et al. FASEB, 2002

Conséquences thérapeutiques : inhibition des métastases osseuses par des petits peptides antagonistes de vß3 (Harms JF et coll, Clin Exp Metastasis, 2004)

RANK Ligand régule la migration des cellules cancereuses et a formation de métastases osseuses

RANK Ligand stimule la migration de cellules cancéreuses exprimant

RANK in vitro

Holstead Jones et al. Nature Vol 440 (692-696) 2006

tumeur + OPG

L’inhibition du RANKL réduit les métastases tumorales de l’os

Le calcium - extracellulaire via le récepteur sensible au calcium (CaR) régule la migration des cellules cancéreuses

0

100

200

300

400

Nb

cellu

le p

ar m

embr

ane

MDA-MB-231

0

100

200

300

400

500

600

1,8 5

Ca2+(mM)

Nb

de

cell

ule

s p

ar m

emb

ran

e (e

n

%ag

e d

u C

t)

bGal CaR-DN

0

100

200

300

400

1,8 2,5 5 7,5Ca2+(mM)

Nb

cel

lule

s p

ar

mem

bra

ne

***

** *

Boucharaba et al, JCI 2004Boucharaba et al, PNAS 2006

Effets de l’acide lysophosphatidique (LPA)

Le tissu osseux = sol fertile pour les cellules tumorales

Facteurs de croissance

et cytokines

TGF, IGF, Ca++

Cellules tumorales dans l’os

Ostéoclaste mature

Résorption osseuse

Cercle vicieux d’auto-entretien

Os

Ostéoclastogenèse

Ostéoblastogenèse

Modification +++ du remodelage osseux local

CONSÉQUENCES DU DÉVELOPPEMENT DE

LA MÉTASTASE DANS LE TISSU OSSEUX :

DÉSÉQUILIBRE DU REMODELAGE OSSEUX

Cellules tumorales dans l’os

Résorption osseuse

Os

OstéoblastesOstéoclaste

mature

Formation osseuse

RAPPEL SUR LE REMODELAGE OSSEUX PHYSIOLOGIQUE

intestin

squelette

rein

Compartiment extra-cellulaire

Rôle du tissu osseux dans les échanges calciques vers et à partir des liquides extra-cellulaires

Calcémie (2,2-2,6 mM)

Apports alimentaires (1000 mg Ca++)

1000 g

Fèces

Absorption

Sécrétion

Formation

Résorption

Réabsorption filtration

Urine

HOMÉOSTASIE CALCIQUE ET TISSU OSSEUX

....

QUIESCENCE

OstéoblastesOstéoclastes actifs

FORMATIONINVERSION

ACTIVATION

RESORPTION

Os calcifié nouveau

Os calcifié ancien

Cellules bordantes

?

Matrice osseuse Matrice osseuse

ostéoclastes

LES DIFFÉRENTES SÉQUENCES DU REMODELAGE OSSEUX

Durée : 12 joursDurée : 3 mois

Remodelage osseux dépend du nombre de cellules osseuses (Oc et Ob) activées

L’équilibre du Remodelage osseux assure l ’intégrité de la masse osseuse

Résorption osseuse et ostéoclaste

CFU-GMCellule souche

totipotente

monocyte macrophage

Précurseurs ostéoclastiques

Ostéoclaste

Ostéoclaste activé résorbant

ostéoblaste

Matrice osseuse

Détachement et mort par apoptose

prolifération

fusion activation

Interactions cellule-cellule

Régulation 1Régulation 2

Régulation 3

12 j

Engagement

M-CSF

H+ H+ CathepsinesMétallo-protéases

RANK

RANK-L

Ostéoblastes/Cellules stromales

Ostéoclaste activé Pré-ostéoclaste

Précurseurostéoclastique

Prolifération et différenciation Survie, fusion, et

activation

OPG

RÔLE DES INTERACTIONS OSTÉOBLASTES / OSTÉOCLASTES DANS LA DIFFÉRENCIATION OSTÉOCLASTIQUE : La triade RANK-RANKL et OPG

M-CSF

RANK

RANK : Receptor Activator of Nuclear factor kappa B

RANK-L : RANK ligand

OPG : Ostéoprotegérine

M-CSF : Macrophage Colony Stimulating Factor

M-CSF

OPG

Le rôle du récepteur RANK et du RANK Ligand dans la régulation de la densité minérale osseuse

1 Kong YY et al. Nature 1999; 397: 315–323; 2 Li J et al. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97: 1566–1571

Normal

Absence deRANK Ligand1

Absence deRANK2

DMO accrue (ostéopétrose)

L’excès de RANKL chez les souris OPG -/- entraîne des fractures de fragilité spontanées des os longs

Radiographie de souris OPG knockout mouse à un mois avec fractures de fragilité spontanées

Bucay et al, Genes and Development 12: 1260-1268, 1998

CONTRÔLE DE LA RÉSORPTION OSSEUSE

HORMONAL

LOCAL

Facteur Effet stimulant Effet inhibiteur

Calcitriol

Parathormone

T3 et T4

17ß oestradiol

Calcitonine

+

+

+

Stimule ++ ostéoclastogenèse

+

+

TNF

IL 1

IL 6

Prostaglandines

+

+

+

+

RANK-LOstéoblastes/

Cellules stromales

OPG

+

+

PTH

1,25 (OH) D3

IL1

TNF

17 ß oestradiol 17 ß oestradiol

-

-

Glucocorticoïdes

CONTRÔLE DE LA RÉSORPTION OSSEUSE = CONTRÔLE DE LA BALANCE RANK-L/OPG

OPG RANK-L

Agents hyper résorbants :

Agents hypo résorbants

L ’OSTÉOBLASTE ET LA FORMATION OSSEUSE

Cellule souche mésenchymateuse

Voie ostéoblastique Précurseur

ostéoblastique

Ostéoblaste mature

ostéocyte Cellule bordanteOstéoblaste apoptotique

Expression de Cbfa1 et ostérix

- Phosphatase alcaline- Collagène type I- Ostéocalcine- Sialoprotéine osseuse

Cbfa1

Myo D

Cellules ostéoprogénitrices

- myoblastes

- adipocytes

PPAR

SOX 9

- chondroblastes

Rôle de CBFA1 (Core Binding Factor alpha 1 ou RUNX 2)

Souris normaleSouris CBFA1- -

Souris normale Souris CBFA1- -

Facteurs de transcription et différenciation ostéoblastique

Wnt

Kinase ?P P

Protéine adaptatrice

ß caténine

Lrp 5

Frizzled

Lrp 5

Krm (Kremen) Dkk (dickopf 1)

Contrôle de la formation osseuse par le système Lrp 5 / Wnt

ß caténine

Ostéoblaste

Dégradation par le protéasome

Souris Lrp5-- : diminution (-50%) nombre Ob et FO

Wnt (Wingless) : stimulation ++ prolifération et différenciation ob Sfrp (soluble frizzled related protein)

Cyclin D1, C myc

Gènes Ob

CONTRÔLE DE LA FORMATION OSSEUSE

HORMONAL

LOCAL

Facteur Effet stimulant Effet inhibiteur

Calcitriol

PTH (1-34)

17ß oestradiol

Leptine

+

+

+

+

BMP (bone morphogenetic protein)

TGFß

IGF, FGF

Contraintes mécaniques

TNF

+

+

+

+

+

DÉRÉGULATIONS PATHOLOGIQUES DU REMODELAGE OSSEUX AU COURS DE L’INVASION MÉTASTATIQUE

Résorption (Ostéoclastes)

Formation (Ostéoblastes)

Maintien de la masse osseuse

Résorption

Formation

Perte de masse osseuse

Tumeur ostéolytique (sein, myélome)

Formation

Résorption

Gain de masse osseuse

Tumeur ostéocondensante (sein,prostate)

Cellules tumorales

Mécanismes moléculaires responsables de l ’atteinte osseuse métastatique des tumeurs ostéolytiques : cas du sein

Adapté d’après Roodman GD. N Engl J Med 2004; 350: 1655–1664

OsRANK

RANK Ligand

Ostéoclaste

Cytokines et facteurs de croissance

Lésions ostéolytiques

Cellules cancéreuses dans la métastase osseuse

Ostéoblaste

Résorption osseuse

Facteurs de croissance

RANK Ligand: médiateur essentiel de la destruction osseuse dans le cancer métastatique

PTHrp

IL-6, 8, 11

Mécanismes moléculaires responsables de l ’atteinte osseuse métastatique des tumeurs ostéolytiques : cas du myélome multiple

OsRANK

RANK Ligand

Ostéoclaste

Cytokines et facteurs de croissance

Lésions ostéolytiques

Plamocytes tumoraux médullaires

Ostéoblaste

Résorption osseuse

Facteurs de croissance

RANK Ligand: médiateur essentiel de la destruction osseuse dans le myélome multiple

MIP 1 et ß IL-6

Pathologie osseuse associée au myélome multiple : Facteurs diminuant la formation osseuse

OsLésions ostéolytiques

Cellules myélomateuses

DKK1

OstéoblasteOstéoblaste

Il 7

Lrp5 : wNT

cbfa1

Mécanismes moléculaires responsables de l ’atteinte osseuse métastatique des tumeurs ostéoblastiques : (Prostate, sein)

OsLésions ostéolytiques

Cellules prostatiques et mammaires

Endothelin 1

FGFs, BMP

OstéoblasteOstéoblaste

?

CBFA1

CONSÉQUENCES POUR LE TRAITEMENT DES METASTASES OSSEUSES

RANKL = Nouvelle cdible thérapeutique dans le traitement des métastases osseuses

RANK

RANKL

Ostéoclaste

Ostéoblaste

OPG

RANKsoluble

Ac anti-RANKL

L’inhibition du RANK Ligand par L’OPG recombinante bloque l’ostéolyse tumorale dans un modèle de cancer du sein

Modèle intracardiaque MDA-231

Morony S et al. Cancer Res 2001; 61(11): 4432–4436

Témoin OPG

Lésions radiographiques

0 0,3 1 30

60

120

180

Dose d’OPG (mg/kg)

**

NO

c /m

m2 d

e su

rfac

e tu

mo

rale

Dose d’OPG (mg/kg)0 0,3 1 3

0

2

4

**

No

mb

re d

e lé

sio

ns

par

so

uri

s

L’inhibition du RANK Ligand par l’OPG recombinante réduit la charge tumorale et améliore la survie dans un modèle murin de

myélome multiple

Vanderken K et al. Cancer Res 2003; 63: 287–289

3,0

3,5

2,5

2,0

1,5

1,0

*

*p < 0,05

Par

apro

téin

e (g

/dl)

Normal 5T33MM+ Témoin

5T33MM+ OPG (25 mg/kg)

85

90

80

75

70

65

*

% d

e c

ellu

les

tum

ora

les

Su

rvie

cu

mu

lati

ve0 5 10 15 20 25 30 35 40

Jours

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

5T33MM+ OPG

5T33MM+ Témoin

p<0,02

L’inhibition du RANK Ligand par le du RANK soluble diminue la formation des lésions osseuses

ostéoblastiques induites par le cancer de la prostate

Basal TémoinInhibition du RANK Ligand

( RANK soluble)

Rad

iog

rap

hie

Modèle LuCaP 35 Hu/SCID de cancer de la prostate, thérapie initiée à 6 semaines

Zhang J et al. Cancer Res 2003; 63: 7883–7890

PSA sérique en tant que marqueur de substitution de la charge tumorale

dans le cancer de la prostate

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Basal RANK soluble

Témoin

PS

A (

ng

/ml)

*

RANK

RANKL

Ostéoclaste

Ostéoblaste

OPG

TRAIL

Cellules spécialisées

TRAIL (TNF Related Apoptosis Inducing Lingand) : signal de mort pour les cellules

tumorales

Limite dans l’utilisation en thérapeutique humaine de l’OPG

TRAIL = Facteur pro-apoptotique

OPG = facteur de survie des cellules cancéreuses

UTILISATION EN TH2RAPETIQUE HUMAINE D’UN ANTICORPS DIRIGE CONTRE LE RANKL (DENOSUMAB, AMGEN)

Effet du denosumab dans une population de femmes atteintes de métastases osseuses (A; n = 29) et dans une population de sujets présentant

un myélome avec une ostéolyse (B; n = 25) sur un marqueur de résorption osseuse (NTX).

Body et al, Clin Cancer Res, 2006

Pamidronate

Pamidronate