Thesis (Ph. D.)--University of Florida, 2003. / Title from title page of source document. Includes vita. Includes bibliographical references.

Summary: While multiple organs are affected in cystic fibrosis (CF) patients, chronic lung disease is the most severe clinical manifestation caused by chronic bacterial infection and concomitant airway inflammation. The sequence of events at the onset of pulmonary infection and inflammation is controversial and not fully characterized. The aim of this work was to highlight an early inflammatory state in CF airways before any infection and to investigate the molecular mechanisms underlying this intrinsic inflammation. We showed increased levels of pro-inflammatory proteins in the lungs of a CF fetus compared to the lungs of two normal fetuses. Using different CF cell models, we confirmed the over-production of numerous pro-inflammatory molecules. We then demonstrated that the transcription of these inflammatory genes is NF-kB and AP-1-dependent and that these transcription factors are activated through IKK and ERK kinase activation. We also identified that the IL-1b and bFGF inhibition, two pro-inflammatory proteins over-expressed in our CF models, decreased the expression of several pro-inflammatory genes. Among the molecules over-secreted by CF epithelial cells, chemokines such as IL-8, Gro-a, Gro-b, Gro-g and ENA-78 or growth factors such as VEGF and bFGF are know to be pro-angiogenic factors. We further demonstrated that conditioned media from CF epithelial cells were able to induce proliferation, migration and sprouting of cultured primary endothelial cells. Our data demonstrated that the absence of CFTR (CF transmembrane conductance regulator) at the plasma membrane leads to an intrinsic AP-1 and NF-kB activation. These activations lead to a pro-inflammatory state sustained through autocrine factor secretion and also through the angiogenic process induced by CF epithelial cells.

Des données antérieures obtenues dans notre laboratoire ont montré le rôle essentiel de PAI-1 dans la croissance de cellules cancéreuses dorigine murine et linduction dune angiogenèse concomitante (Bajou et al, 1998;Bajou et al, 2001). Bien que ces résultats aient été confirmés par dautres groupes dans différents modèles expérimentaux (Gutierrez et al, 2000;McMahon et al, 2001), très peu dinformations concernant limplication de PAI-1 dans la progression des carcinomes humains étaient disponibles dans la littérature. Cest pourquoi, dans le premier chapitre de ce travail, nous nous sommes intéressés au comportement de différentes lignées de carcinomes humains lorsquelles sont placées dans un environnement dépourvu en PAI-1. Lensemble des résultats obtenus est décrit dans la première publication intitulée : « Host plasminogen activator inhibitor-1 promotes human skin carcinoma progression in a stage-dependent manner » (Maillard et al, 2005, Neoplasia, 7: 57-66) La synthèse des différentes études utilisant différents modèles expérimentaux in vivo (voir introduction, Tableau 6) a montré quelques divergences quant à linfluence de PAI-1 dans la progression tumorale et la formation de métastases. Ces résultats contradictoires pourraient sexpliquer en partie par la grande diversité des modèles expérimentaux utilisés. Les lignées de cellules tumorales utilisées, le nombre de cellules implantées, ainsi que le site dimplantation chez les animaux sont quelques uns des facteurs pouvant influencer les résultats. Dans ce contexte, lutilisation danimaux transgéniques développant spontanément des lésions tumorales est une alternative attrayante pour étudier limpact dun facteur sur lévolution de ces lésions. A lheure actuelle, un seul groupe sest intéressé à limpact dun déficit en PAI-1 dans un modèle de souris développant de manière spontanée des adénocarcinomes mammaires qui métastasent dans les poumons, et na pas observé de différences entre les animaux déficients en PAI-1 et leurs contrôles de type sauvage (Almholt et al, 2003). Ce deuxième chapitre est consacré à létude de limplication de PAI-1 dans un autre modèle murin de cancérogenèse spontanée, à savoir, les souris TRP-1/SV40 Tag caractérisées par un développement de tumeurs oculaires qui forment des métastases dans le cerveau. Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Laboratoire de Vectorologie et de Transfert de Gènes (Docteur M. Perricaudet, UMR8121, Villejuif, France), au cours dun séjour de plus de 6 mois. Lensemble des résultats obtenus est décrit dans la seconde publication intitulée : « Reduction of brain metastases in transgenic ocular tumor in plasminogen activator inhibitor-1 deficient mice » (Maillard et al, soumis pour publication) Les résultats présentés dans le troisième chapitre mettent en avant lintérêt des chambres de transplantation in vivo de kératinocytes tumoraux comme modèle détude des interactions hôte-tumeur. Dans un premier temps, ce modèle nous a permis de déterminer limportance de lorigine cellulaire de PAI-1 (cellules tumorales ou cellules hôtes) sur son effet pro-angiogène. Dautre part, des effets opposés de PAI-1 en fonction de sa concentration ont été mis en évidence et apportent des éléments de réponse quant aux effets pro- ou anti-angiogènes de cet inhibiteur des activateurs du plasminogène. Les résultats sont repris dans la troisième publication intitulée : « Host-derived plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) concentration is critical for in vivo tumoral angiogenesis and growth » (Bajou et al, 2004, Oncogene, 23:6986-6990) Dans un second temps, en collaboration avec léquipe du Professeur J. Boniver (Laboratoire dAnatomie et de Cytologie Pathologiques, ULg, Liège), les chambres de transplantation ont été utilisées pour évaluer in vivo lefficacité thérapeutique du GM-CSF comme cytokine favorisant la migration intratumorale de cellules dendritiques matures. Ces travaux sont présentés dans la quatrième publication intitulée : « Delivery of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor in bioadhesive hydrogel stimulates migration of dendritic cells in models of human papillomavirus-associated (pre)neoplastic epithelial lesions » (Hubert et al, 2004, Antimicrobial agents and chemotherapy, 48: 4342-4348)

Initialement, la vision restreinte des MMPs en tant que de simples « destructeurs » de la matrice extracellulaire avait largement sous-estimé limportance et la diversité de leurs contributions aux différentes étapes de la progression tumorale et de la dissémination métastatique. Ces dernières années, les fonctions complexes des MMPs dans la progression tumorale ont été renforcées par la découverte de nombreux nouveaux substrats dégradés, clivés ou activés par les MMPs, incluant non seulement des composants de la matrice extracellulaire mais aussi des récepteurs, des molécules dadhésion et de nombreuses molécules potentiellement bioactives. La complexité et la diversité de laction des MMPs dans la progression tumorale fournissent certaines explications quant à « léchec thérapeutique » de linhibition des MMPs dans les études cliniques de cancers humains. Une compréhension complète et spécifique de la biologie de chaque MMP est néanmoins requise avant de les considérer à nouveau comme des cibles thérapeutiques contre le cancer ou dautres pathologies. Les travaux réalisés dans le cadre de ce doctorat ont contribué à la compréhension des mécanismes moléculaires impliquant la MT1-MMP dans la croissance et langiogenèse tumorale et ont identifié, pour la première fois, une implication de la MT4-MMP dans la croissance tumorale et la dissémination métastatique du cancer du sein. Malgré sa faible activité de dégradation de la matrice extracellulaire, cette protéase à lien glycosylphosphatidyl inositol pourrait promouvoir la progression tumorale en affectant la structure des vaisseaux sanguins intratumoraux.

ABSTRACT Selective progesterone receptor modulators (SPRM) represent a new class of synthetic steroids which can interact with the progesterone receptor (PR) and can exert agonist, antagonist or mixed effects on various progesterone target tissues in vivo. VA-2914 is a selective progesterone receptor modulator with potential contraceptive activity. We evaluated VA 2914 for ovulation inhibition in women, using three experimental doses ( 2,5 mg/d, 5 mg/d, 10 mg/d ) given continuously for three months. We examined the endometrial impact in each group. Anovulation (defined by absence of progesterone above 3 ng/ml ) was obtained in nearly 80% women in the 5 and 10 mg/d groups with a great rate of amenorrhea ( 81.2 and 90% cases in the 5 and 10 mg/d groups ). Estradiol levels remained in the physiological follicular phase range. Endometrial histological analysis show predominantly usual patterns of secretory phase. Some cystic glandular dilatations are observed in rare cases ; any hyperplasia was detected. VA-2914 induces amenorrhea while progestins cause endometrial spotting and bleeding. This abnormal bleeding due to progestins is a consequence of focal stromal proteolysis by increase in naked vessel size and density. We quantified the effects of VA 2914 on endometrial vascularisation, fibrillar matrix and VEGF-A expression in endometrial biopsies from 41 women before and after 12 weeks daily treatment (2,5 , 5 or 10 mg/d VA 2914 versus placebo). We did not observed changes in endometrial vessels, collagen network and VEGF-A distribution between the luteal phase at baseline and under VA 2914. From these observations, we can assess that VA 2914 does not behave like a progestin since it does not alter the endometrial matrix nor the pattern of endometrial vessels. Résumé : Les modulateurs sélectifs du récepteur de la progestérone ( SPRMs) constituent une nouvelle famille de stéroïdes présentant des propriétés mixtes agonistes ou antagonistes en fonction des gènes cibles, du contexte cellulaire, de la présence simultanée dautres ligands du récepteur de la progestérone (Spitz 2003). Le chef de file de cette famille, la mifépristone, est utilisé depuis plusieurs décennies pour ses propriétés abortives. Son intérêt dans la contraception post coïtale a été démontré. Des molécules aux propriétés abortives réduites sont à létude ou en cours de développement dans les domaines de la contraception, du cancer du sein, du traitement médical de lendométriose et des fibromes utérins (Pintiaux et al. 2009). Le VA2914 que nous étudions, fait partie de ces SPRMs en cours de développement. Nous avons démontré sa capacité à inhiber lovulation à partir de 5 mg administrés par voie orale quotidiennement. Il exerce une action endométriale participant vraisemblablement à leffet contraceptif . Il ninhibe pas le développement folliculaire et permet déviter la carence estrogénique observée sous progestatif antigonadotrope. A partir de la dose de 5 mg par jour, son utilisation saccompagne dun haut taux daménorrhée (Chabbert-Buffet et al. 2007). Lutilisation dun SPRM au long cours pose le problème dun endomètre soumis aux estrogènes endogènes sans opposition progestative. Limpact dun SPRM sur lendomètre varie en fonction de la molécule, de son dosage, de la présence concomitante dautres stéroïdes et de lespèce à laquelle ce SPRM est administré (Chwalisz et al. 2000). Des aspects histologiques particuliers sont décrits dans les endomètres soumis aux SPRMs. Il sagit de la coexistence daspects histologiques non présents de façon simultanée physiologiquement ( aspects sécrétoires et prolifératifs coexistant au sein du même endomètre, signes dapoptose et dactivité mitotique au sein dune même glande) (Mutter et al. 2008). La persistance dune activité mitotique est observée dans les glandes endométriales des patientes anovulatoires soumises au VA2914 (Chabbert-Buffet et al. 2007). Lutilisation de cette molécule quotidiennement et à long terme nest donc pas dactualité contrairement à son utilisation ponctuelle dans le cadre de la contraception postcoïtale (Creinin 2006). La place des SPRMs en contraception classique doit être définie. Différents schémas dadministration et différents dosages devront être évalués en termes defficacité et de sécurité. Lutilisation des SPRMs pourrait être utile pour contrer les saignements indésirables observés lors de la prise de progestatif seul. Contrairement aux patientes soumises aux progestatifs seuls, les patientes sous VA2914 présentent un haut taux d'aménorrhée. Lors du saignement physiologique menstruel comme lors de l'administration de progestatif seul, la dégradation locale du stroma endométrial et une lyse du réseau fibrillaire riche en collagène sont classiquement observées (Galant et al. 2000). Sous VA2914, nous nobservons pas de dégradation de la matrice extracellulaire (Ravet et al. 2009). Le rôle des métalloprotéases matricielles dans les saignements normaux et pathologiques de l'endomètre humain est bien connu . Le profil d'expression des métalloprotéases matricielles dans l'endomètre des patientes traitées par VA2914 à différents dosages peut contribuer à lintégrité endométriale observée. Une angiogenèse aberrante est observée sous progestatif. Une modification de la densité vasculaire endométriale et une altération de la maturation de la paroi des vaisseaux, déficitaire en péricytes et en cellules musculaires lisses ont été décrites (Hickey et al. 1999; Hickey et al. 2000; Jondet et al. 2005; Rogers et al. 1993; Stephanie et al. 2007). L'observation de la vascularisation de lendomètre exposé au dispositif intrautérin au lévonorgestrel durant 1 à 3 mois montre une augmentation très importante (11,5 fois) des petits vaisseaux non matures constitués exclusivement d'un endothélium. Le nombre de vaisseaux partiellement matures est augmenté de 6 fois. Au plus long cours, ces vaisseaux immatures ou partiellement matures restent néanmoins 4 fois plus fréquents que dans les endomètres non soumis à cette thérapeutique. La surface vasculaire et la densité augmentent au cours du temps sous ce dispositif hormonal (Stephanie et al. 2007). De telles modifications ne sont pas observées sous VA2914 et peuvent contribuer à l'absence de saignement. Au cours du cycle témoin, nous avons observé la présence de vaisseaux matures, représentant 80 % de la surface vasculaire totale. Après 3 mois de traitement sous VA2914 aux différentes doses, aucun changement vasculaire n'est observé. Sous VA2914, nous ne constatons pas de modification de l'expression du VEGFA ni de modification de sa distribution qui apparaît prédominante au niveau de la portion apicale des cellules épithéliales de surface et glandulaires. L'absence de modification de la distribution et de l'intensité du marquage du VEGFA (Vascular endothelial growth factor) et la stabilité du rapport Ang-1/Ang-2 avant et sous traitement par VA2914 n'est pas en faveur d'un remodelage vasculaire important (Ravet et al. 2009). Au niveau du réseau vasculaire endométrial, le VA2914 ne paraît donc pas se comporter comme un agoniste du récepteur de la progestérone.

Malignant glioma consists of a group of diseases where the localisation and the nature of the disease makes treatment an extreme challenge. Two important biological features of malignant glioma cells are their infiltrative growth and their ability to induce angiogenesis. Glioma cells migrate extensively behind the blood-brain barrier and infiltrate the surrounding brain making radical treatment with surgery and radiotherapy almost impossible. The aims of this thesis were to investigate factors of importance for glioma cell migration and angiogenesis and to evaluate if an anti-angiogenesis approach alone or in combination with current treatment modalities could inhibit glioma growth. For this purpose we used the BT4C orthotopic rat glioma model and investigated treatment effects of the vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor-2 and epidermal growth factor (EGF) receptor tyrosine kinase inhibitor ZD6474 alone or in combination with temozolomide or radiotherapy. Altered protein expression pattern after anti-angiogenesis treatment was measured using a mass-spectrometric proteomic method, followed by multivariate data-analysis. The tissue plasminogen activator (tPA), urokinase plasminogen activator (uPA), plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1), and VEGF showed altered temporal and spatial mRNA expression during glioma progression. In early stages of tumour progression the expression was found throughout the tumour while in later stages, the expression was more predominant in the invasive tumour border. ZD6474 in monotherapy significantly inhibited tumour growth in the BT4C glioma model. The effect was further enhanced when combined with radiotherapy or temozolomide. Using mass-spectrometric methods an altered protein expression pattern after ZD6474 treatment was observed implicating the possibility to use proteomic methods for finding predictive biomarkers for anti-angiogenesis treatment. In conclusion, this thesis demonstrates a co-expression of factors important for glioma growth and angiogenesis and that treatment with an angiogenesis inhibitor has additive effects on glioma growth when combined with radiotherapy and chemotherapy. Finally, an altered protein expression pattern after anti-angiogenesis treatment is evident and detectable. Hopefully this work will contribute to and encourage further research to reach a better understanding of how to combine and evaluate different treatment approaches in malignant glioma.

Heparan sulfate (HS) is a polysaccharide of glycosaminoglycan type composed of alternating hexuronic acid [either glucuronic acid (GlcA) or iduronic acid (IdoA)] and glucosamine (GlcN) units that can be sulfated in various positions. HS binds to a large number of proteins and these interactions promote many biological processes, including cell adhesion and growth factor signaling. This thesis deals with the structural analysis of short heparan sulfate sequences that mediate binding to fibroblast growth factors FGF1 and FGF2, their receptor FGFR4, and the angiogenesis inhibitor endostatin. Both FGF1 and FGF2 were shown to interact with N-sulfated hexa- and octasaccharide fragments isolated from HS. A pool of HS fragments depleted for FGF1 binding retained the ability to bind FGF2. Changes in 6-O sulfation affected binding to FGF1 but not FGF2, indicating that these proteins bind to distinct HS sequences. All octasaccharides with high affinity for FGF1 contained an internal IdoA2S-GlcNS6S-IdoA2S trisaccharide motif as shown by exoenzyme-based sequence analysis. FGF2 bound to a mono-O-sulfated hexasaccharide with an internal IdoA2S unit, although the affinity was higher for a di-O-sulfated octasaccharide displaying an IdoA2S-GlcNS-IdoA2S trisaccharide motif. FGFR4 was shown to bind the HS analogue heparin with a KD value of 0.3 μM. The interaction between FGFR4 and HS depends on both IdoA2S and GlcNS6S units. Sequence analysis suggested that the number but not the precise location of 6-O-sulfate groups determines affinity. The HS-binding site of endostatin was identified through alanine scanning. Endostatin mutants with reduced affinity for HS were unable to counteract angiogenesis induced by FGF2. The predominant HS motif recognized by endostatin was shown to consist of two N-sulfated domains separated by N-acetylglucosamine units.

Angiogenesis can be defined as the formation of new blood vessels from pre-existing ones. Angiogenesis is required for development and maintenance of our vascular system and thus of fundamental importance to our existence. The endothelial cells that line the inside of the vessels de-differentiate, migrate, proliferate and re-differentiate during angiogenesis. Angiogenesis is tightly regulated, controlled by several angiogenic factors of various classes that promote angiogenesis but also by anti-angiogenic factors that counteract the effect of the pro-angiogenic factors. We have examined three factors involved in angiogenesis regulation, Vascular endotelial growth factor (VEGFR) -3, the matrix protein laminin-1 and the collagen XVIII derived fragment endostatin. Five tyrosine phosphorylation sites in the cytoplasmic tail of VEGFR-3 were identified by phosphopeptide mapping (PPM). The data was confirmed by PPM using point-mutated receptors generated by site-directed mutagenesis. Laminin-1 was found to promote angiogenesis in the chicken chorioallantoic membrane assay and in a synergistic fashion together with suboptimal levels of fibroblast growth factor 2 (FGF-2) in embryoid bodies. Laminin-1 also promoted endothelial tubular morphogenesis in vitro, and upregulated the expression of the endothelial differentiation marker Jagged-1. Endostatin was shown to affect endothelial FGF-2-induced cell survival and morphogenesis. This was a result of direct binding to endothelial cells and induction of tyrosine phosphorylation of many proteins including the adaptor protein Shb. The apoptotic and morphogenic responses induced by endostatin was shown to be dependent on Shb. Further, endostatin inhibited endothelial migration and affected molecules implicated in migration. In particular, FGF-2 induced actin reorganization, and β-catenin regulation was modulated by endostatin.

Neuroblastoma is one of the most common solid cancers of early childhood. In Sweden, approximately 10-15 cases occur annually. The overall five-year neuroblastoma survival in Europe is approximately 45%. Since cancer treatment involves drugs with risks of side effects in the growing child, there is a need for more effective and less toxic drugs. One new approach in cancer treatment is inhibition of tumor angiogenesis, i.e., of new blood vessel growth into the tumor. An angiogenesis inhibitor may be combined with cytostatic drugs to enhance the efficacy. The aim of this study was to investigate how drugs could be used to inhibit angiogenesis and tumor growth in a xenograft model of human neuroblastoma in nude mice. The tumors express the angiogenesis stimulator vascular endothelial growth factor (VEGF) on both protein and mRNA levels. The angiogenesis inhibitors SU5416 (an inhibitor of VEGF signalling) and TNP-470 (an inhibitor of endothelial cell proliferation) inhibited angiogenesis in our model. TNP-470, however, inhibited angiogenesis without significant reduction of the tumor growth, in contrast to SU5416. We also discovered that the cytostatic drug CHS 828 could cause regression of neuroblastoma tumors in the model when given orally at a low daily dose, alone or in combination with the angiogenesis inhibitor SU5416 or TNP-470. Furthermore, a new use of the cardiac glycoside digoxin was found. Digoxin inhibited FGF-2 -stimulated bovine capillary endothelial cell growth in vitro, and inhibited angiogenesis in vivo in the chick chorioallantoic membrane assay (CAM). It also inhibited neuroblastoma growth by approximately 50% in our neuroblastoma model. In conclusion, CHS 828 and digoxin represent two classes of drugs with potent antitumor effects that may be valuable in treatment of neuroblastoma, either alone or in combination with angiogenesis inhibitors.

Angiogenesis is necessary for the growth and spread of solid tumors. In these studies angiogenesis was measured in childhood malignancies in general and in Wilms’ tumor in particular, and cutting needle biopsy (CNB) specimens were evaluated for diagnosis in childhood renal tumors. In 33 patients with Wilms’ tumor, tumor capillaries were quantified, expression of angiogenic growth factors in tumor tissue investigated, and concentrations of angiogenic growth factors in serum measured. Reference values for angiogenic growth factors were obtained in 80 healthy adults (fibroblast growth factor 2 [FGF-2], vascular endothelial growth factor A [VEGF-A]) and 94 healthy children (angiogenin [ANG], epidermal growth factor [EGF], FGF-2, hepatocyte growth factor [HGF], tumor necrosis factor alpha [TNFA] and VEGF-A) aged 0.5-18 years. These reference values were compared with values in sera taken at diagnosis in 268 children with tumors and leukemias. CNB specimens were evaluated in 25 children with renal tumors. A large number of capillaries was an independent prognostic factor for a poor outcome in Wilms’ tumor. Angiogenic growth factors were expressed in Wilms’ tumor tissue, and elevated concentrations of HGF and VEGF-A were found in both benign and malignant tumors. HGF was increased in leukemia, and TNFA was increased in leukemia, lymphoma and neuroblastoma. CNB, which proved to be a safe procedure, had a sensitivity of 76%. These studies have demonstrated that quantification of capillaries is a prognostic factor in Wilms’ tumor and that HGF, TNFA and VEGF-A are frequently elevated in sera from children with cancer. Quantification of capillaries in tumor tissue and of circulating angiogenic growth factors would therefore seem to be of clinical relevance in managing children with cancer.