pharmacologie anti-tumorale. radioprotecteurs · >50 oncology drugs registrations since 2000 To...

Modèles précliniques de pharmacologie anti-tumorale. Radio-sensibilisants / radioprotecteurs

S. Rivera, E. Deutsch

Département de radiothérapie DU TORINO 1404/2016

Historique et définitions (1)

1895: Découverte des rayons X (Roentgen)

1906: Premières observations (Bergonié et

Tribondeau; Claudius Regaud)

Radiobiologie descriptive:

Premières notions de radiosensibilité

-Grande activité mitotique= Cellules plus radiosensibles

-Radiosensibilité de certaines cellules (spermatogonies)

Historique et définitions (2)

1956: Courbes de survie in vitro (Puck et

Markus)

1959:Courbes de survie in vivo (Hewitt)

1981: Radiosensibilité intrinsèque (Fertil et

Malaise): lien entre radiocurabilité des

tumeurs humaines et radiosensibilité

Radiobiologie quantitative:

RADIOSENSIBILITE INTRINSEQUE

-Probabilité de mort cellulaire par unité de temps

Historique et définitions (3)

1980: Techniques de détection des lésions de l’ADN

(Elution sur filtre, électrophorèse en champs pulsé)

1990: Protéines de réparation de l’ADN

2000: Leur organisation (complexes

multiprotéiques), leurs mutations (syndromes

d’hyperradiosensibilité), les facteurs extrinsèques

Bases moléculaires de la radiosensibilité

RADIOSENSIBILITE: Probabilité de perte de la

capacité proliférative par unité de dose

Echelle de temps en radiobiologie

10-18 S

10-12 S

10-6 S

100 S

106 S

Réactions physiques: Ionisations-Excitations: microdépôts d’énergie

Réactions chimiques: Radicaux libres: lésions de l’ADN

Réactions biochimiques et biologiques: détection/signalisation

Réactions biologiques tissulaires: Aigues/tardives

Echelle de dose en radiobiologie

Dose nécessaire pour induire 50% de létalité chez un fibroblaste humain:

Cytoplasme:

200-500Gy

Noyau:

1-3Gy

Importance de l’ADN pour la létalité

Irradiation ultra focalisée

par source émettrice

alpha

L’ADN est la cible!!!

Dommages radio induits sur

l’ADN et principaux systèmes

de réparation

Dommages sur l’ADN induits par les

rayonnements ionisants

Radiation

ionisante

eaq-

O

H H

OH°

O2-

Effets directs (60%):

Excitation/ionisation

Effets indirects (40%):

Radicaux libres par

radiolyse de l’eau

Incidence des lésions et demi-vie de

réparation

IRRADIATION:

1 Gy

10 000 Bases

endommagées

1000 Cassures

simple-brin

40 Cassures

double-brin

5-10 min 10-15 min >50 min

Temps nécessaire à la réparation de 50% des lésions

Joubert A, Foray N Cancer/Radiother 11 (2007) 129-142

Réponses aux radiations ionisantes

La mort cellulaire en radiobiologie

= Perte de la capacité de division et non disparition physique de la cellule!!!

Une cellule morte peut métaboliser

La létalité ↗ avec la dose mais la cinétique de réparation est constante

La mort cellulaire en radiobiologie

La mort cellulaire par apoptose

La mort cellulaire par autophagie

La mort cellulaire par catastrophe

mitotique

La mort cellulaire par nécrose

La mort cellulaire par sénescence

Principaux dommages et systèmes

de réparation après irradiation

Qualité de la

réparation Fidèle Fidèle

Peu

fidèle Fidèle

Réparation des dommages

radioinduits de l’ADN

PARP

Signalisation des cassures double-

brin radio-induites (CDB)

Réparation des cassures double-brin:

Recombinaison homologue (HR)

Reconnaissance

Façonnage

Recherche

d’homologie

Invasion et

échange de brins

Synthèse

Ligature (Ligase1)

DBS= cassure

double-brin

ADN homologue

Recombinaison

homologue entre

les 2 ADN

Réparation fidèle

Réparation des cassures double-brin: Jonction des terminaisons non homologues

DBS= cassure double-brin

(NHEJ)

Reconnaissance

Recrutement

Façonnage

Alignement

Ligature (LigaseIV)

H2AX

Réparation non fidèle

Artemis

Cernunnos

Réparation des cassures simple-brin:

Reconnaissance

Recrutement

Façonnage

Alignement

Synthèse

Ligature

3’

5’

5’

3’

SSB SSB= « single strand

brake » : cassure

simple brin

PARP1

Complèxes

multiprotéiques

XRCC1, ligase 3

ADN polymérase:

Polß

ADN Ligase 3

Réparation fidèle

Réparation des dommages de base:

réparation par excision de base (BER)

Reconnaissance

Excision

Façonnage

Synthèse

Ligature Réparation fidèle

Réparation par excision de nucléotide

Adduits et ponts intra-brin (NER)

Reconnaissance

Recrutement

Séparation des brins

Incision et excision

de la lésion

Synthèse (Pol ɗ/Ɛ)

Ligature (Ligase1) Réparation fidèle

Réparation « standard »

via XPC/hHR23B

Réparation d’urgence:

Réparation couplée à la

transcription

via RNAPol II/CS-B

Ciseaux moléculaires:

ERCC1/XPF, XPG

Réparation des mésappariements

Conséquences des dommages

radio induits

Multiples facteurs de transcription

induits par l’irradiation

P53 au centre de la réponse aux

dommages radio-induits

P53 au centre de la réponse aux

dommages radio-induits

Dommages radio induits autres

que sur l’ADN

L’irradiation du cytoplasme induit

des mutations

L’effet By Stander

L’effet By Stander

Quelle(s) cible(s)?

La cible: l ’ADN

La cible: membrane/cytoplasme

Bystander effect

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Paramètres influençant la

radiosensibilité tumorale

Outils de détection des

dommages radio induits sur

l’ADN et de leurs

conséquences

Détection indirecte des CDB:

marquage immunofluorescent de H2AX

Induction et réparation des CDB

visualisées par IF de foyers H2AX

Détection des cassures d’ADN:

Test des comètes

Electrophorèse sur

des noyaux de

cellules isolées

Test des comètes:

Electrophorèse sur des noyaux de cellules isolées

Analyse du profil d’expression des

gènes après irradiation: Puce à ADN

Analyse du profil d’expression de

gènes : Puce à ADN

Présentation des résultats d’une

puce à ADN

Surexprimé

Médiane

Sous exprimé

Modèles d’étude de

radiosensibilité:

-in vitro

-in vivo

Modèles in vitro Mesure de la

fraction survivante

Modèles in vitro Mesure de la

fraction survivante

Modèles in vitro Courbes de survie:

test des colonies

Modèles in vitro Courbes de survie:

test des colonies

Modèles in vitro Courbes de survie:

test des colonies

Modèles in vitro Courbes de survie:

test des colonies

Fra

ction s

urv

ivante

Dose en Gy

Modèle linéaire quadratique

( FertilB et Malaise EP,J

RadiatOncolBiolPhys1981;7:621-629)

Dose en Gy

No

mb

re d

e c

ellu

les s

urv

iva

nte

s

Modèle linéaire quadratique

Modèle linéaire quadratique

Fraction survivante à 2Gy:

radiosensibilité intrinsèque

Tissus à renouvellement rapide

Tissus à renouvellement lent

Facteurs influençant la survie

clonogénique

Facteurs influençant la survie

clonogénique

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vitro: concept de cellule

souche cancéreuse

Modèles in vivo: Xénogreffes

Retard de croissance

tumorale

TCD50: Evaluation de la

dose permettant 50% de

contrôle tumoral

Vo

lum

e t

uom

ora

l

Possibilité d’évaluation de la radiosensibilité extrinsèque

Modèles in vivo: Xénogreffes

Modèles in vivo: Xénogreffes

INDEX THERAPEUTIQUE

Modèles in vivo: greffes

orthotopiques

Implantation de la tumeur dans un

environnement plus relevant

Modèle d’invasion métastatique

pulmonaire

Modèles orthotopiques: tumor in the right place!

Mordant et al, PLoS One 2011

Injection of HPV16 E6/7 expressing cells in

syngenic immunocompetent mice

TC1/Luc cells primary epithelial cells of

C57BL/6 mice cotransformed with

HPV16 E6 and E7 and c-Ha.ras

oncogenes (J.C. Wu, Johns Hopkins University )

IVIS

imaging

5000 25000 50000 cells

Isogenic grafting of

TC1/Luc cells in the oral

mucose of

immunocompetent mice

Injection of

Luciferase+

cells in the oral

mucosa

Day 0 Day 3

Randomization Treatment start

Day 4

Ctl/ Local IR +/-

treatment with drug

X/ drug X

82

Follow-up with IVIS

Percutaneous

injection of

Luciferase+

cells in mice

lung through

pleura

Day 0 Day 3

Randomization after

graft evaluation by

IVIS

Treatment start

Day 4

Ctl/ Local IR +/-

treatment with drug

X/ drug X

Orthotopic lung tumor model

Follow up of Orthotopic lung grafts

84

• Mice weight

• IVIS

• histopathological assessment after sacrifice of mice

Mordant et al, PLoS One 2011

MicroPET/ CTscan imaging

Various PET tracers available

Development of imaging tools

For lung toxicity

M Mangoni, Uni Firenze

Novel preclinical models? Toxicities

Lind, Senan, Smit, JCO 2011 Mangoni et al Rad Oncol

HES staining: cardiac surface measurement

Control 16Gy (30weeks)

Radiation is inducing

Cardiac remodeling and hypertrophy

Mesurable signs of cardiac

hypertrophy

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

control 16Gy 17Gy

A.U.

2X

Control 16Gy

Oral mucosa toxicity assessment model

Ex: antiVEGF +IR

Mangoni et al, BJC 2012

Oral mucosa toxicity assessment model

Mucositis: increased edema and inflammatory cells

infiltration

Mangoni et al, BJC 2012

Modulation de la radiosensibilité

What can we optimize ?

The beam

Better targeting

Biomodulation

Better prediction

Modulation de la radiosensibilité par

l’association aux drogues

Associations radiochimiothérapie

Associations radiothérapie et

thérapies ciblées

« Intrinsic »

radiation response Anti EGFr, mTOR, PI3K.. COX-2,

Proteasome inhibitors, TNFr inducers

« extrinsic »

micro environment Anti VEGFr, FGFr

More than 60 new agents tested in phase I

or II trials

*Source : www.clinicaltrials.gov

Targeted agents + XRT : facts

>50 oncology drugs registrations since 2000

To date only 2 drugs :

C225 & Temodar recently registered combined to radiotherapy

>60 agents

in phase I/II

combined to XRT*

*source : clinicaltrials.gov

Optimal tumor profile

Appropriate trial design

Proof of concept

Differential effect

bottleneck

hundreds

preclinical

« drug + radiotherapy »

hits on pubmed

Pourquoi moduler biologiquement la réponse tumorale à

l’irradiation?

Cured Cancer

~ 49% by surgery

~ 40% by radiotherapy

~ 11% by chemotherapy

SBU. The Swedish council on technology assessment in health care:

radiotherapy for cancer. Volume 1. Acta Oncol 1996;35.

Seulement 30 phase I impliquant la radiothérapie

publiées par an pour presque 400 Phase I de

cancérologie sans radiothérapie.

Glass C et al. Int. J Radiat Oncol 2010: 78 (3)

2012 Nov 15;84(4):e447-54

Sponsorship par phase des essais

thérapeutiques

• Majoritairement en Phase I et II, seulement 36 en Phase III

Soutien pharmaceutique 33%, et seulement 16% des Phase III

Types de tumeurs pour lesquels des drogues

sont en development avec la radiothérapie

HN: 26%, 14 Phase III studies

Distribution des Phase I and II dans le temps

Exemple 1: traget driven lethality - EGFR

108

Exemple 1: traget driven lethality - EGFR

109

C225 & irradiation :

transfert from bench to clinic

Toxicities of new agents

Budach W, New England Journal of Medicine, 2007

Anti EGFr + Radiotherapy :

One (unusual) case of grade IV skin necrosis

The usefulness of functionnal imaging :

the example of tyrapazamine

Bioreductive agent when hypoxic

Radiosensitizer

Randomized phase III

RT + CDDP

RT + CDDP + Tyrapazamine

Overall results : 2 arms similar!!

Tirapazamine : Hypoxia PET to select the patients?

Rischin, JCO 2006

Antivascular agents :

a way to increase RT efficacy?

Wilett, Nature Medicine 05

Immunité et radiosensibilité

Cellule dendritique

Abscopal effect has become clinical reality

Ipilimumab and radiotherapy :

Radiation necrosis of the brain (3 cases)

Melanoma

metastasis

in the right

frontal lobe

SBRT :

20Gy

1 year later 2 years later :

increase in size

and surrounding oedema

Post Surgery

Necrosis

& gliosis

Du Four et al. / European Journal of Cancer 48 (2012)

Ipilimumab started 3

months later

Looking toward the future..

Prédiction moléculaire de la radiosensibilité

Personalised medicine :

Challenges rely on tumor response

probability

Optimise radiotherapy

Decrease late effects

Radiation sensitizer

Poor prognosis :

Tumor « response » profile :

Toward molecular profiling?

Preoperative Radiotherapy

in rectal cancer

responders

non responders

Watanade Can Res 2006

Fractionnation

Radiation sensitizers (EGFr…)

High Tech RT,

IGRT

Drugs adapted

to

Molecular

pathology

Increasing the antitumor

efficacy of

radiotherapy

will require…

..integration of all aspects of

radiation biology

Conclusions

Radiosensitization..

DNA damage

modification

Apoptosis

induction

Increase in PA02

Nucleotide

depletion

Inhibition

of DNA repair

Cell cycle

redistribution

Classical view : radiosensitization….