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