Nouveaux axes de recherche en Cancérologie : Recherche translationnelle

Résumé Les révolutions du séquençage des tumeurs, réalisé au niveau de la cellule unique à l'heure actuelle, permettent une meilleure compréhension moléculaire du cancer, ainsi que de son hétérogénéité. Ceci permet un développement de nouvelles thérapies à un rythme encore jamais observé auparavant, limité par les coûts importants de cette recherche et de la réalisation des essais cliniques

Introduction

La recherche translationnelle est une activité aux interfaces entre recherche fondamentale et clinique, avec des échanges bidirectionnels entre médecins et chercheurs, permettant d'amener dans le champ clinique les découvertes de la recherche, et à rebours de questionner les aspects biologiques des situations cliniques telles la sensibilité ou la résistance aux traitements (Figure).

Le cancer est une maladie où des cellules tumorales prolifèrent et disséminent, secondairement à l'acquisition d'altérations génétiques et épigénétiques, dans un microenvironnement tumoral. Les « hallmarks of cancer » en 2000 ont permis de résumer 6 grandes différentes conditions biologiques nécessaires pour qu'un cancer existe : l'autosuffisance en signaux de croissance, l'insensibilité aux signaux inhibiteurs de la croissance, la capacité à éviter l'apoptose, la capacité de se répliquer indéfiniment, l'induction de l'angiogenèse et la capacité à former des métastases1. Cela a été complété en 2011 par l'importance du métabolisme énergétique cellulaire, la capacité à éviter une destruction par le système immunitaire, l'inflammation favorisant les tumeurs ainsi que l'instabilité et des mutations du génome. Une nouvelle mise à jour en 2022 décrit également l'importance : du microbiome, de la reprogrammation épigénétique tumorale non mutationnelle, de la nécessité de déverrouiller la plasticité phénotypique et la présence de cellule sénescente2.

Plusieurs révolutions ont eu lieu à partir des années 2010, s'entrecroisant et ayant permis un bond considérable dans la compréhension du cancer, avec un impact déjà actuel sur les traitements, et qui continue du fait de l'amélioration constante des technologies.

Révolution du séquençage haut débit : caractérisation moléculaire des tumeurs

Notre génome comporte 3 milliards de paires de base, le séquençage du génome humain avec la technologie Sanger a été un immense effort qui a pris plus de dix ans et a coûté environ trois milliards de dollars. La découverte et développement du séquençage haut débit permet à l'heure actuelle de séquencer un génome entier pour un cout autour du millier d'euros, en quelques heures (quelques jours avec l'analyse des résultats).

Cette révolution a permis dans le cadre de consortium internationaux de réaliser le séquençage de dizaine de milliers de tumeurs à partir des années 2010, représentant la quasi-totalité des types de cancer (The Cancer Genome Atlas (TCGA) étant le consortium le plus important), dont les données sont publiquement accessibles. Ceci a permis de découvrir les mutations, fusions et anomalies du nombre de copie (amplification, délétion…) récurrentes dans les différents types tumoraux. Le séquençage haut débit permet également de séquencer l'ARN et permet alors d'étudier le transcriptome (ensemble des gènes transcrits ainsi que leur niveau d'expression) d'une tumeur.

Ces consortiums ont alors permis de rendre publique des données multi-omics (génomique, transcriptomique, de méthylation mais aussi protéomique) obtenues sur les mêmes tumeurs permettant de mieux comprendre le lien entre ces différents niveaux du fonctionnement d'une cellule3,4. En 2022, nous avons donc accès à la cartographie moléculaire de la quasi-totalité des tumeurs solides ou hématologiques. Ceci a permis la découverte de nombreuses thérapies ciblées dans l'ensemble des types tumoraux (par exemple pour le cancer du sein, alpelisib, inhibiteur de PIK3CA, mutée dans 40 % des cancers du sein avec récepteur hormonaux positifs RH+)5.

Les classifications moléculaires basées sur la transcriptomique ont permis pour chaque type tumoral de mieux définir des sous-groupes de tumeurs, qui à terme seront traités de manière ciblée. Dans le cancer du sein, la caractérisation des sous types moléculaire luminal A ou B, HER2+ et basal-like permet de guider le traitement de ces cancers. Par exemple cela permet de guider la prescription de chimiothérapie adjuvante dans les tumeurs RH+/HER2- (bénéfice si « luminal B », pas de bénéfice si « luminal A »), alors que les tumeurs HER2+ bénéficieront d'un traitement anti-HER2, et les tumeurs basal-like potentiellement plus d'une immunothérapie.

Néanmoins cette 1re cartographie moléculaire présente 2 grandes limites : i) Elle est axée sur l'étude des tumeurs primaires, et ne reflète donc pas l'évolution sous traitement. En effet lors de la résistance aux différentes thérapeutiques, il existe des modifications génomiques qui nécessitent d'être comprises mais qui ne sont pas disponibles à ce jour pour la majorité des traitement et cancer. ii) Elle représente une « moyenne » pour une tumeur : en effet n'est mesurée alors que l'expression moyenne de tel ou tel gène, ou la présence globale d'une altération génomique, mais l'hétérogénéité intra-tumorale (de la cellule tumorale elle-même ou de l'environnement peri-tumoral) n'est pas bien caractérisée par ses méthodes.

Le cancer : des cellules tumorales hétérogènes

Grace à l'évolution du séquençage haut débit, il a été permis d'analyser plus en profondeur les tumeurs. Des études réalisées à partir des année 20106 ont montré que le cancer n'est pas une maladie homogène ni clonale, ce qui était attendu dans le cadre du cancer où l'instabilité génomique fait partie du processus de cancérogénèse. En effet au cours de l'évolution tumorale, des clones et sous clones apparaissent (et disparaissent) sous l'effet de l'évolution locale et métastatique, mais aussi de la pression thérapeutique. L'étude génétique de plusieurs tumeurs chez un même patient (site métastatique différent) ou même de la même tumeur montre qu'il existe différents clones et sous clones7.

Par exemple dans les cancers du poumon métastatique avec mutation EGFR, un traitement par anti-EGFR de 1re génération (ex erlotinib/gefitinib) a une efficacité élevée initiale (>80 %), mais entraine quasiment systématiquement une résistance après environ 9-12 mois8. Cette résistance est expliquée dans 50 % des cas par une nouvelle mutation EGFR (T790M), ou pouvant être secondaire à d'autres altérations génomiques dans d'autres voies de signalisation9. Ces mécanismes de résistances aux thérapeutiques sont multiples entre les patients, mais peuvent être également variable à l'échelle du même patient. Ceci explique la difficulté d'obtenir des rémissions complètes durables ou des guérisons, car le phénomène de sélection naturelle conduit à la sélection des clones initialement minoritaires résistants, ainsi que la difficulté de traiter de manière homogène les patients dont les tumeurs présentent des résistances variables.

Le cancer : un microenvironnement hétérogène

Longtemps, le cancer n'a été vu que comme une maladie de la cellule tumorale. Ces dernières années, l'importance du microenvironnement tumoral a été montré comme nécessaire à la croissance tumorale. En effet au cours de son évolution les cellules tumorales sont entourées de cellules immunitaires ou stromales (ex : fibroblastes) pouvant limiter leur croissance10. L'immuno-évasion, soit la capacité à échapper au système immunitaire, est un point majeur du développement d'une tumeur, le système immunitaire pouvant généralement reconnaitre les cellules tumorales comme du non-soi du fait des altérations génomiques non présentes sur les cellules saines. De plus ce microenvironnement secrète un grand nombre de facteurs de croissance ou de cytokines, pouvant être pro ou anti-tumorale. Chaque cancer va donc au cours de son évolution modeler ce microenvironnement pour qu'il lui soit favorable, via en particulier la sécrétion tumorale de cytokines. Cette compréhension a permis la révolution thérapeutique de l'immunothérapie par inhibiteur de point de contrôle immunitaire, ou pour la 1re fois de manière aussi efficace, une thérapeutique ciblant le microenvironnement immun et non la cellule tumorale a permis un traitement efficace et durable d'une proportion importante de cancers variés11,12. Il a été montré que la résistance à certains traitements même ciblés pouvait être due au microenvironnement et non à la cellule tumorale, comme la résistance aux anti-EGFR dans le cancer du poumon à cause de la sécrétion par les fibroblastes associés au cancer d'HGF et de FGF713.

Récemment ces dernières années, nous commençons à mieux connaitre la répartition des populations présentes dans le microenvironnement (lymphocytes, cellules myéloïdes, fibroblastes...). Mais plus que leur répartition, nous parvenons à mieux les caractériser phénotypiquement car un même type cellulaire (ex : fibroblaste) peut avoir des rôles et fonctions variées et opposées14. Cette meilleure caractérisation est permise entre autres par une autre révolution, le séquençage de cellule unique.

Séquençage de cellule unique

Le séquençage haut débit permettait historiquement, comme décrit ci-dessus, une analyse d'un échantillon, dont le résultat représentait une sorte de moyenne des cellules le composant. Il est possible maintenant de séquencer chaque cellule d'une tumeur , permettant d'apprécier son hétérogénéité avec une précision inédite15,16. En effet là où l'immunohistologie, ou la cytométrie de flux permettait une analyse par cellule d'un nombre limité marqueurs, les nouvelles technologies de séquençage par cellule unique permettent de séquencer dans une cellule l'ensemble des gènes. Selon la méthode utilisée, ceci peut être l'ADN, l'ARN, des marques épigénétique ou même certaines protéines17,18. Encore plus récemment, ce séquençage de cellule unique peut être couplé à une analyse spatiale des cellules (leur localisation), en général sur la lame tumorale analysée en pathologie19. Il est donc maintenant possible de comprendre pour un échantillon la proportion de chaque type de cellule (tumorales, immunitaires, stromales), mais surtout leur différents sous type, ainsi que leur localisation par rapport à la tumeur.

Amélioration des modèles pré-cliniques

Les révolutions décrites ci-dessus ont amené un nombre très important d'hypothèses et de pistes thérapeutiques, nécessitant une validation pré clinique avant de traiter les patientes. Les modèles tumoraux se sont considérablement enrichis, pour suivre la complexité observée à l'échelle du patient. Des modèles 2D (lignées cellulaires), 3D (sphéroïde, organoïde…) dont certains permettent en plus de cellules tumorales d'incorporer du microenvironnement, aux modèles murins (xénogreffes dont celles dérivées du patient – PDX) permettent de tester les différents traitements et leurs combinaisons avant leur administration chez l'être humain20,21. En particulier les PDX ont la propriété essentielle de récapituler l'hétérogénéité inter- et intratumorale aux échelons morphologiques et moléculaires. À titre d'exemple, nous avons pu démontrer que les PDX dérivées de tumeurs mammaires primitives luminales étaient représentatives des cancers dit « luminaux B ». Ces PDX ont servi de base à l'étude des diverses modalités d'hormonothérapie, et des mécanismes de résistance à l'hormonothérapie22. Les PDX réalisées à partir de tissu métastatique, devant (i) contribuer à une meilleure représentativité de l'hétérogénéité tumorale et (ii) permettre d'étudier du matériel devenu résistant aux traitements médicaux, sont en cours de développement. Plusieurs groupes en ont rapporté la faisabilité notamment dans les cancers du sein23. Ces premières études ont permis par exemple de confirmer, à l'instar des PDX de tumeurs primitives, la représentativité biologique de ces PDX, puis de documenter les acquisitions d'anomalies moléculaires au cours de la progression métastatique comme par exemple l'apparition de mutations ESR1 en cas d'hormonorésistance

Une de leurs principales limites est la nécessité d'utiliser des souris immunodéficientes pour permettre la prise des xénogreffes, c'est-à-dire la transplantation réussie de tissu d'origine humaine sur un support murin. Plusieurs stratégies ont été développées pour restaurer une réponse immune « humanisée », une fois la PDX établie.

Le développement de meilleur modèle ainsi que les nouvelles technologies (comme le CRISPR-Cas9) permettent également de pouvoir réaliser des test de drogues ou des inactivations de gènes à grandes échelles, ou des milliers de drogues ou de gènes inhibés sont testés sur des milliers de lignées cellulaires différentes (Consortium Depmap 24). Ceci permet une avancée plus rapide de la découverte de nouveaux traitements / combinaisons.

Conclusion

Au total, les avancées de la recherche transrationnelle en cancérologie pourraient être résumées en au moins quatre points majeurs : (i) Les approches biologiques moléculaires font désormais partie de la routine oncologique (ii) Le séquençage haut débit permet de mieux caractériser sensibilité et résistance aux traitements (iii) La caractérisation de l'environnement tumoral est devenue une nécessité clinique (iv) Les modèles précliniques permettent un aller-retour permanent entre

Figure : Modélisation de la recherche translationnelle

Mots clés : Séquençage – préclinique – essais cliniques