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Une hypothèse pour "l'effet Lance Armstrong"

Donald S. Coffey, PhD; Robert H. Getzenberg, PhD; Theodore L. DeWeese, MD

Il n'existe peut-être pas de question plus importante dans la recherche sur le cancer que de comprendre la base moléculaire permettant d'expliquer comment la majorité des patients atteints de cancer testiculaire peut être traitée si efficacement. Par exemple, comment Lance Armstrong, avec un diagnostic de cancer testiculaire très évolué, a-t-il pu être traité si efficacement au point de gagner ultérieurement à de nombreuses reprises ce si exigeant Tour de France? Bien que ce type de succès thérapeutique soit maintenant fréquent chez de nombreux patients atteints de cancer testiculaire évolué, ce genre de résultat n'est pas obtenu chez la majorité des patients ayant d'autres types de tumeurs solides évoluées. Qu'est-ce qui explique les étonnants résultats thérapeutiques du cancer testiculaire et ce résultat peut-il être expliqué à la fois à des niveaux cellulaires et moléculaires? Comprendre la base de « l'effet Lance Armstrong » peut fournir des cibles thérapeutiques pour améliorer les traitements d'autres tumeurs solides évoluées communes qui demeurent si réfractaires aux meilleurs traitements systémiques.

Cellules cancéreuses et hyperthermie
L'effet Lance Armstrong peut venir principalement de la sensibilité thermique inhabituelle des cellules germinales testiculaires normales et de leur propension à mourir lorsqu'elles sont placées à 37 °C, température normale du corps. Les cellules cancéreuses métastatiques testiculaires qui disséminent peuvent conserver cette réponse au stress hyperthermique à une température corporelle qui augmenterait leur destruction par l'intermédiaire d'une mort cellulaire plus facile secondaire au traitement par radiation ou chimiothérapie. De nombreuses études cliniques et fondamentales ont montré que le stress hyperthermique peut altérer la mort et la survie cellulaire de manière significative à la fois in vivo et in vitro.¹ Par ailleurs, pour de nombreux types de tumeurs, l'hyperthermie (41 °C-43 °C) augmente et coordonne la réponse à une association thérapeutique, comme la radiothérapie, les traitements cytotoxiques, ² et l'immunothérapie. L'hyperthermie est une très ancienne forme de traitement du cancer. Il existe plus de 10 000 références indexées dans les recherches MEDLINE en combinant les mots cancer et hyperthermie, mais ceci n'est pas encore accepté partout en raison des limites aux applications cliniques et à leur compréhension. Avec les nouveaux types de distribution thermiques, des progrès peuvent être faits pour une distribution plus précise et un meilleur contrôle. Les techniques de médecine moléculaire qui libèrent de la chaleur directement vers des cellules tumorales spécifiques avec des nanoparticules ont un potentiel important. Il est maintenant possible d'aller d'un système de chauffage externe des cellules cancéreuses à des systèmes spécifiques chauffant la cellule cancéreuse de façon interne. L'hyperthermie spécifique des cellules tumorales en association à la radiothérapie, la chimiothérapie et l'immunothérapie peut fournir une voie vers le succès thérapeutique obtenu chez Lance Armstrong qui avait à l'origine une tumeur dérivant d'une cellule supersensible et répondeuse à la chaleur.

La chaleur en tant que facteur primaire épigénétique du développement et de la reproduction
La chaleur est un important facteur microenvironnemental et épigénétique du développement biologique normal. Chez certains animaux, le sexe est déterminé par les facteurs environnementaux de chaleur (épigénétiques), tandis que, dans d'autres espèces, le sexe est déterminé par des facteurs génétiques grâce à la présence de signatures chromosomiques spécifiques. Le sexe des amphibiens est déterminé par la température externe à laquelle l'œuf est incubé au sein du nid. Par exemple, les œufs d'alligator enfouis dans un nid de type compost présentent des températures locales différentes au cours de leur incubation. Si la température du nid est plus élevée autour de l'œuf, c'est un mâle qui éclot. C'est l'inverse qui se produit si la température d'incubation de l'œuf est plus basse, les éclosions se faisant de façon prédominante sous la forme de femelles.³ Un effet opposé de la chaleur sur la détermination du sexe est observé chez les tortues; l'élévation des niveaux de chaleur au cours de l'incubation de l'œuf produit surtout des femelles tortues, tandis que des températures plus basses donnent des tortues mâles. Une fois défini le sexe par la chaleur, celuici est biologiquement irréversible et les variations ultérieures de la chaleur ne modifient pas le sexe de l'animal tout au long de sa vie. En conclusion, chez certains animaux, la chaleur d'incubation choisit et imprime l'expression du sexe lors d'une période critique de temps lors du développement précoce de l'embryon et les résultats sont permanents.

Chaleur et développement des cellules souches
Chez les amphibiens, l'œuf simple est une cellule souche qui évolue vers deux voies extrêmement différentes de développement (mâle ou femelle) en se basant seulement sur le niveau de chaleur au sein du nid. Dans toutes les espèces animales, un zygote est une cellule simple fertilisée et en tant que telle est la base de toute cellule souche primaire omnipotente pour le développement des cellules animales. Un rapport récent suggère que des cellules testiculaires adultes isolées peuvent être utilisées comme cellules souches pour le clonage.⁴ Bien que cette technique permette de ne cloner que des mâles, elle peut servir de nouveau modèle d'étude pour la recherche sur les cellules souches et peut permettre d'éviter de nombreuses questions éthiques concernant l'utilisation de cellules d'embryon.

Les nouvelles connaissances sur les effets de la chaleur sur les cellules souches, dont le développement moléculaire et la biologie, pourraient concerner des cibles primaires, telles que la méthylation de l'ADN, les réorganisations de l'ADN, les ARN non codant, la modification de l'histone et une organisation plus élaborée de la boucle d'ADN au niveau de la matrice nucléaire.

Une fois défini le sexe chez tous les animaux, qu'ils soient à sangfroid ou à sang chaud, l'embryon doit être incubé de façon continue à une température spécifique tout au long du développement jusqu'au moment de l'éclosion ou de la naissance. Une deuxième loi de la thermodynamique doit être suivie au cours de tous ces processus biologiques, avec un développement du fœtus allant toujours de températures élevées à des températures faibles et en conservant toujours une augmentation globale de l'entropie pour la totalité du système. Cette deuxième loi est opérationnelle même au cours de cette période de complexité biologique croissante et d'auto-organisation qui dérive de la chaleur.

Même chez les humains, l'ovulation est annoncée chez la femme par une augmentation de la chaleur corporelle basale dont on ne connaît pas la signification. En comparaison, la spermatogenèse du mâle s'interrompt si les testicules sont soumis à une température de 37 °C, température normale du corps, lorsque les testicules sont situés anormalement dans l'abdomen et ne sont pas descendus dans le scrotum plus frais qui est leur environnement normal. Les testicules non descendus ne sont pas fertiles et sont soumis à une augmentation du risque de développement d'un cancer. Le mécanisme moléculaire des effets d'une augmentation de la température à la fois sur les œufs humains et la formation et la fonction du sperme demande à être résolu.

Evolution, immunité et chaleur
Les animaux à sang chaud évoluent à des températures normales qui sont souvent élevées largement au-dessus de la température ambiante de leur environnement externe. Pour les mâles et pour les femelles, maintenir ce différentiel de température coûte cher en énergie pour l'organisme. Cette augmentation importante de la dépense thermique doit entraîner un large bénéfice sur la survie pour avoir été sélectionnée positivement si souvent au cours de l'évolution. L'augmentation de la température basale et la capacité à l'accroître comme dans la fièvre au cours d'infections peuvent jouer un rôle central dans la défense biologique de l'hôte contre les pathogènes. Lorsque les mammifères sont infectés par des pathogènes, ils se sont adaptés pour produire une augmentation de la température corporelle (fièvre), qui semble jouer un rôle central à une fonction correcte des processus immunitaires et qui a été sélectionnée comme mécanisme de défense chez les animaux pendant des millions d'années d'évolution. En effet, les lézards à sang-froid sont plus enclins aux infections lorsqu'ils sont mis à l'ombre au frais, mais au soleil où leur température corporelle augmente, les lézards infectés survivent.⁵ Ce bénéfice de la chaleur corporelle peut avoir été accru par sélection chez les animaux à sang chaud pour leur survie dans un environnement riche en pathogènes. L'hyperthermie de la fièvre peut avoir été une stimulation adaptatrice mais transitoire de l'immunité. L'évolution de la biologie thermique comporte des caractéristiques complexes aux questions non résolues, dont les effets anticancéreux potentiels. La fièvre peut être combattue pour rendre un certain confort aux individus, mais ceci peut être négatif dans la lutte contre les infections.⁶

Il existe de nombreuses études sur les effets de la chaleur sur l'immunité. L'antigénicité des molécules est souvent augmentée avec la température par le déploiement de la protéine. La chaleur stimule aussi la réponse immunitaire par des fonctions cellulaires immunitaires induites par la chaleur et par le transfert de cellules immunitaires vers les sites infectés.⁷ La compréhension de l'augmentation de l'immunité sous l'effet de la chaleur peut être utilisée pour développer des traitements immunitaires.⁸ Un autre exemple de la relation entre réponse immunitaire et température est que le sperme est habituellement antigénique vis-à-vis de son hôte, bien qu'on ne sache pas si la sensibilité des testicules à la température corporelle comporte une partie immunologique.

Hyperthermie et cancer
Les cellules cancéreuses sont plus facilement tuées que les cellules normales si elles sont incubées à plus de 42 °C.⁹ L'effet direct de la chaleur sur les cellules cultivées et la tolérance thermique sont des événements compliqués et implique des taux et des degrés de chaleur et des taux de récupération et de réparation. Une variabilité est souvent observée entre les types cellulaires, rendant difficile des généralisations des effets de la chaleur. Toutefois, la réponse de toutes les cellules au stress thermique initie la synthèse, la distribution, et la fonction d'une famille de protéines que l'on appelle « les protéines de choc thermique ».¹⁰ Ces protéines sont impliquées dans une grande variété de fonctions et de défenses cellulaires, dont le déploiement dynamique des protéines, les fonctions d'accompagnement et de transport au travers de la cellule. Les protéines de choc thermique protègent les éléments cellulaires des augmentations de température délétères. Les protéines de choc thermique semblent être des facteurs critiques de signal cellulaire et sont devenus des facteurs principaux en tant que nouvelles cibles thérapeutiques. Les protéines de choc thermique devraient jouer un rôle majeur pour comprendre l'hyperthermie dans le traitement du cancer. Le rôle des protéines de choc thermique dans l'apoptose, l'activité des mitochondries et la fonction nucléaire sont des domaines scientifiques en développement.

Une des cibles cellulaires les plus sensibles de l'hyperthermie est la matrice cellulaire (Figure), un échafaudage qui organise de nombreuses fonctions au sein du noyau. Les études des effets thermiques sur le noyau par Roti Roti et coll.¹¹ et Lepock et coll.¹² ont démontré un déploiement de la matrice nucléaire induit par la chaleur et des modifications ultérieures de la liaison de protéines spécifiques de la matrice. Les variations (pléiomorphisme) et les modifications de la structure nucléaire sont des éléments clés pour le diagnostic de cancer par l'anatomopathologiste.¹³ Ces événements nucléaires sont des modifications néoplasiques précoces dans toutes les tumeurs chez l'animal et chez l'homme et sont la base cellulaire du diagnostic de tous les cancers indépendamment de la cause. La détermination de la structure nucléaire passe par une structure résiduelle mais dynamique du noyau appelée « matrice nucléaire », qui est composée seulement de 10 % des protéines totales du noyau et qui apporte un échafaudage hautement dynamique essentiellement libre de lipides, d'histones et d'acides nucléiques.

Voir une version plus large (118K): [dans cette fenêtre] [dans une nouvelle fenêtre]   Figure.. Modèle de matrice nucléaire et de domaine en boucle d'ADN. Dans le noyau intact (A), L'ADN est condensée en longueur par plus de 10 000 fois avec de nombreux niveaux d'organisation. La matrice nucléaire (B) est révélée en extrayant les lipides et les histones, ce qui libère plus de 50 000 domaines en boucle d'ADN. La matrice nucléaire représente un échafaudage hautement dynamique qui définit une forme nucléaire et procure une organisation d'un niveau plus élevé de ces boucles d'ADN, chaque boucle étant attachée à sa base à un site fixe pour la synthèse d'ADN. Les protéines de la matrice ne représentent que 10% des protéines nucléaires totales, mais leur composition protéique est à la fois spécifique du tissu et de la tumeur. Une cible majeure pour un stress hyperthermique est représentée par les protéines organisant la matrice nucléaire qui sont exceptionnellement sensibles au déploiement et aux modifications induites par la chaleur. 2 Les protéines de la matrice nucléaire des cellules germinales testiculaires sont agressées par la température normale du corps.

Dans chaque cellule, la matrice nucléaire permet un ancrage à plus de 50 000 boucles d'ADN.¹⁴ Chaque boucle a environ 60 000 bp de longueur et représente une réplique des unités d'ADN situées entre deux fourchettes de réplication.¹⁴ Ces sites de réplication d'ADN sont fixés à la matrice à la base de chaque boucle d'ADN. Au cours de la réplication, les boucles de réplications tournent vers le bas vers ces sites de réplication qui sont situés sur la matrice. Près de ces sites des systèmes de réplication d'ADN colocalisés sur la matrice se trouvent des topoisomérases, des récepteurs des stéroïdes, et un groupe de protéines à haute mobilité impliquées dans les translocations chromosomiques.¹⁵ La matrice du noyau fournit de nombreux sites pour une organisation de l'ADN d'un ordre plus élevé qui organise le système fonctionnel de la réplication, de la transcription, ¹⁶ et de l'épissage alterné du message. Ces domaines en boucle sont maintenus au niveau du chromosome 13 et du sperme. Des observations montrant que la matrice nucléaire et l'organisation en boucle de l'ADN sont modifiées par une hyperthermie pourraient avoir une grande importance pour la compréhension de l'altération de la fonction nucléaire sous l'effet de la chaleur.^17,18

Des études protéomiques ont révélé que la composition de la matrice nucléaire est à la fois spécifique du tissu¹⁹ et de la tumeur²⁰ et est la source de nouveaux biomarqueurs du cancer.²¹ Les études de Roti Roti et coll.¹¹ et Lepock et coll.¹² sur les protéines de la matrice nucléaire comme étant la cible la plus sensible à la réponse thermique sont d'une grande importance potentielle pour comprendre le mécanisme moléculaire de l'effet Lance Armstrong.

Diriger la chaleur vers les cancers
L'hyperthermie a été utilisée seule et en association avec d'autres formes de traitement du cancer pendant de nombreuses années mais avec seulement un succès clinique marginal. Plus récemment, il y a eu quelques essais cliniques montrant un bénéfice significatif lors de l'addition de chaleur à la radiothérapie et à la chimiothérapie.²² Certains essais qui ont utilisé des concepts plus modernes dans leur plan expérimental et dans leur analyse ont capitalisé sur l'élimination des imperfections de la logique précédente de l'hyperthermie. Des doses thermiques appliquées n'atteignant pas des niveaux cytotoxiques représentent un progrès. Une application plus fréquente de doses plus faibles de chaleur semble entraîner une ré-oxygénation et des réductions de la capacité de réparation de l'ADN des cellules tumorales, toutes deux très importantes pour augmenter les réponses tumorales à la radiothérapie et à la chimiothérapie.²³

Un tel traitement hyperthermique peut être dirigé spécifiquement vers les cellules cancéreuses tout en épargnant les cellules hôtes. Des particules de fer magnétisé ont été dirigées vers les cellules cancéreuses par leur inclusion dans des nanoparticules ou des liposomes.⁸ Une fois captées par les tumeurs ces microparticules de fer en nanostructures sont chauffées par un champ magnétique externe réglé à des fréquences qui produisent une température spécifique et contrôlée au sein des cellules tumorales. Les limites de cette approche peuvent concerner le volume de la tumeur, la prise non désirée par les macrophages ou la fixation par des cellules réticuloendothéliales, ou la localisation par inadvertance des particules de fer sur des sites de l'organisme. La spécificité de distribution par organe peut être augmentée par le placement correct de champs magnétiques externes sur des cathéters placés dans l'urètre ou le rectum pour attirer des concentrations plus élevées de particules systémiques de fer vers la prostate ou le colon. Des approches similaires pourraient être adaptées pour traiter d'autres tumeurs primaires au niveau du sein ou de l'œsophage.

Une distribution spécifique vers les cellules cancéreuses de ces nanoparticules peut impliquer l'utilisation de sondes moléculaires qui attachent les nanoparticules aux marqueurs de surface des cellules tumorales ou aux marqueurs des cellules tumorales endothéliales. Dans cet esprit, l'antigène membranaire spécifique de la prostate est une cible intéressante pour les cellules cancéreuses de la prostate. Les taux d'antigène membranaire spécifique de la prostate sont nettement augmentés à la surface des cellules cancéreuses de la prostate chez les hommes ayant un cancer évolué n'ayant pas répondu à un traitement de privation. Des anticorps spécifiques de la tumeur et des aptamères²⁴ ont été développés pour se lier spécifiquement au PSA. L'addition de ces agents aux nanoparticules²⁵ ou aux liposomes contenant des particules microscopiques de fer pourraient représenter un progrès majeur pour le traitement spécifique par la chaleur des cellules cancéreuses de la prostate. Cette hyperthermie induite au sein des cellules cancéreuses devrait aussi augmenter la réponse des cellules cancéreuses à d'autres formes d'association thérapeutique, comme la radiothérapie, les cytotoxiques et l'immunothérapie.

Ces nouveaux types d'approche thérapeutique peuvent un jour étendre l'effet Lance Armstrong au traitement d'autres types de tumeurs solides humaines disséminées et évoluées. Bien que cet article se focalise sur la matrice nucléaire comme cible principale de la sensibilité à la chaleur des cellules cancéreuses, il est important d'aussi évaluer d'autres propositions de modèles qui ont été récemment revues concernant la chimiosensibilité des cellules germinales.^26,27 Pour atteindre ce but, de nouveaux concepts, de meilleurs modèles précliniques, une libération et une évaluation clinique précises doivent être développés. Ces objectifs sont à notre portée et ces nouveaux concepts pourraient fournir la base de développement d'une approche multidisciplinaire tant attendue permettant de développer cette thérapie.

Informations sur les auteurs
Correspondance: Robert H. Getzenberg, PhD, Johns Hopkins University School of Medicine, James Buchanan Brady Urological Institute, Marburg 121, 600 N Wolfe St, Baltimore, MD 21287 (rgetzen1{at}jhmi.edu).

Liens financiers: aucun déclaré.

Financement/soutien: cette etude a bénéficié du soutien du David Koch Fund, délivré par la Prostate Cancer Foundation.

Rôle du sponsor: ni Mr Koch ni la Prostate Cancer Foundation n'ont été impliqués dans cette étude, ni dans le recueil, la conduite ou l'analyse et l'interprétation des données, ni dans la préparation, la revue ou l'approbation du manuscrit.

Remerciements: nous remercions John Wong, PhD, et Mario Duhon, BS, de la Johns Hopkins University School of Medicine, et Kenneth Pienta, MD, du University of Michigan Cancer Center, pour leurs nombreuses discussions scientifiques concernant ce manuscrit. Aucune compensation n'a été perçue pour ces discussions.

Affiliations des auteurs : Departments of Urology (Drs Coffey et Getzenberg), Radiation Oncology and Molecular Radiation Sciences (Dr DeWeese), et Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center (Drs Coffey, Getzenberg, et DeWeese), Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, Md.

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