Résumé: La majorité des femmes ayant un cancer du sein en stade précoce sont traitées par radiothérapie impliquant souvent l’irradiation du sein entier. Malgré l’efficacité de cette modalité de traitement, la dose de radiation n’est pas optimale pour éliminer toutes les cellules cancéreuses résiduelles, mais plutôt pour obtenir les meilleurs résultats à long terme avec le moins de complications possibles. Les effets secondaires observés résultent tous de processus inflammatoires engendrés par la radiation. L’augmentation de l’expression et de l’activité de molécules inflammatoires, notamment la cyclooxygénase-2, dans les tissus normaux et malins stimulent l’invasion et l’angiogenèse tumorales, deux mécanismes importants menant à l’établissement de métastases. Le but global de ce projet de recherche est d’améliorer la radiothérapie en tentant de réduire la récurrence du cancer du sein. Les objectifs spécifiques étaient de déterminer grâce à l’imagerie par résonance magnétique que l’irradiation du stroma sain pouvait augmenter in vivo la capacité d’invasion des cellules cancéreuses du sein, stimuler la néovascularisation tumorale et qu’une co-administration à la radiothérapie d’un agent anti-inflammatoire inhibiteur sélectif de la cyclooxygénase-2 pouvait prévenir l’augmentation radio-induite de cette invasion. Dans notre étude, nous avons établi une méthode utilisant l’imagerie par résonance magnétique pour mesurer rapidement l’angiogenèse in vivo chez la souris dans des implants de Matrigel. Cette méthode servira ultérieurement à analyser l’effet de la radiation sur l’angiogenèse tumorale. Nous avons également suivi chez un modèle de souris l’invasion des cellules cancéreuses mammaires implantées après irradiation du tissu sain. Nous avons démontré que l’irradiation du tissu sain augmente l’invasion des cellules cancéreuses mammaires. L’invasion radio-induite est stimulée par une irradiation unique de 30 Gy tout comme avec un protocole d’irradiations fractionnées de 5x7,5 Gy se rapprochant plus des doses utilisées en clinique. Ensuite, un traitement avec un inhibiteur sélectif de cyclooxygénase-2, soit le NS-398, a été effectué. Le NS-398 limite l’augmentation radio-induite de l’invasion. Ces résultats supporteraient le développement de nouveaux traitements basés sur des inhibiteurs de COX-2 pour augmenter l’efficacité de la radiothérapie chez les femmes ayant un cancer du sein. / Abstract: Most women with early breast cancer are treated with radiotherapy to the whole breast. Despite the efficiency of this treatment, the dose of radiation is not calculated to eliminate all the residual cancer cells, but rather to obtain the best long-term results with minimal side-effects. The observed side-effects all result from inflammatory processes caused by radiation. Increase of inflammatory molecules expression and activity, such as cyclooxygenase-2, in normal and malignant tissues induce invasion and tumour angiogenesis. Both of these important mechanisms lead to metastasis formation. The general aim of this research project is to improve radiotherapy by decreasing breast cancer recurrence. Specific objectives were to determine with magnetic resonance imaging that irradiation of normal tissues could increase breast cancer cells invasiveness in vivo, stimulate tumour neovascularization and prevent radiation-enhanced invasion by the administration of an anti-inflammatory agent inhibiting selectively the cyclooxygenase-2 during radiotherapy. In this study, we have developed a new assay to monitor angiogenesis in Matrigel plugs in live mice using magnetic resonance imaging. This method would be a promising tool to test the effect of radiation on tumour angiogenesis. We also followed in a mouse model the invasion of mammary cancer cells implanted post-irradiation of healthy tissues. We demonstrated that irradiation of healthy tissues leads to an increase in mammary cancer cells invasion. Radiation-induced invasion was observed with a unique 30 Gy dose as well as with a more clinically-relevant fractionated protocol consisting in 5 irradiations of 7.5 Gy. Then, mice were treated with NS-398, a selective inhibitor of cyclooxygenase-2. NS-398 limits the increase of invasion stimulated by radiation. These results could support new treatments development based on COX-2 inhibition to increase radiotherapy efficiency for women with breast cancer.

En 1971, Le Dr. Américain Judah Folkman a publié une hypothèse selon laquelle la croissance tumorale dépendait de l'angiogenèse. Le défit des recherches actuelles est de trouver un moyen pour affamer la tumeur en inhibant son angiogenèse. L'angiogenèse est un processus physiologique complexe qui fait intervenir de nombreux récepteurs, parmi lesquels se trouve le récepteur du mannose-6-phosphate / Insulin-like growth factor II (RM6P/IGFII). Le but de ce travail a donc consisté en la synthèse de nano-objets mannosylés et de nouveaux analogues du Mannose-6-Phosphate (M6P) puis en l'évaluation de leur activité angiogénique par la méthode de la « CAM » sur des embryons de poulet et dans le modèle des explants d'aorte de rat. Dans un premier temps des nanoparticules d'or ont été préparées, fonctionnalisées avec les dérivés du M6P ayant montré des résultats intéressants au cours de travaux antérieurs réalisés au sein du laboratoire. Par la suite des analogues originaux tels que un borate, un acide boronique, un pyrophosphate, un pyrophosphonate ainsi que l'analogue rétroisotère du M6P ont été synthétisés. D'autre part, il a été montré que le RM6P/IGFII pouvait lier deux molécules de M6P ou une molécule d'oligosaccharide diphosphorylée par monomère. De ce fait, des molécules bidentées, des composés de type bolaforme et des trisaccharides difonctionnalisés ont été élaborés puis leur activité biologique a été valuée. / In 1971, the American Dr. Judah Folkman published the hypothesis : tumor growth depends on angiogenesis. The challenge of current research is to find a way to starve tumors by inhibiting angiogenesis. Angiogenesis is a complex physiological process that involves many receptors, among which is the receptor for mannose-6-phosphate / Insulin-like growth factor II (RM6P/IGF-II). The aim of this work was the synthesis of mannosyl nano-devices and new analogues of Mannose-6-Phosphate (M6P). Evaluation of their angiogenic activity was made by the 'CAM essay' on embryo of chicken and in the model of the explantations of rat's aorta. First, gold nanoparticles functionnalized with M6P analogues were prepared. Those analogues have been chosen among the most interesting candidates as described previously in our laboratory. Secondly, original analogues such as a borate, a boronic acid, a pyrophosphate, a pyrophosphonate as well as the retroisotere analogue of the M6P were synthetized. The RM6P/IGFII can bind two molecules of M6P or a diphosphoryled oligosaccharide molecule by monomer (receptor). Therefore, bidentate molecules, difunctionnalized bolaform compounds and difunctionnalized trisaccharides were synthesized and their biological activity evaluated.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les gliomes sont des tumeurs agressives de mauvais pronostic, très angiogéniques et infiltrantes ce qui rend leur exérèse particulièrement difficile. Vu les limites des techniques actuelles d’imagerie, nous avons proposé la spectro-imagerie Infrarouge à Transformée de Fourier (IRTF), d’une résolution spatiale de 6 µm, pour apporter une information moléculaire à l’examen histologique actuel des gliomes. Nos travaux ont été fondés sur la recherche de paramètres moléculaires des vaisseaux sanguins, notamment sur la base des contenus de leur membrane basale. Celle-ci subit des altérations dûes au stress angiogénique tumoral. Nous avons mis en évidence des altérations de la structure secondaire des protéines (tels les collagènes) des vaisseaux sanguins au cours de la croissance de la tumeur. Nous avons aussi évalué les modifications des chaines d’acides gras des phospholipides membranaires, qui révélent un degré d’insaturation plus important pour les vaisseaux tumoraux. Ensuite, sur un modèle de gliome murin, nous avons établi une méthode efficace de classification des capillaires sanguins sur la base d’absorptions de leurs contenus glucidiques et lipidiques, permettant de discriminer totalement les capillaires sains et tumoraux. La combinaison de ces paramètres a été mise à profit pour assurer une histopathologie moléculaire des gliomes humains. Nos résultats ont démontré qu’il est possible de différencier entre la vasculature saine et tumorale sur ces gliomes humains, ce qui permet une bonne délimitation des zones tissulaires correspondantes. Cette technique pourrait devenir un outil analytique fiable, rapide d’une durée compatible avec la chirurgie et donc très utile pour les neurochirurgiens. / Malignant gliomas are very aggressive tumors with poor prognosis, highly angiogenic and invasive into the surrounding brain parenchyma, making their resection very difficult. Regarding the limits of current imaging techniques, we have proposed Fourier Transform Infrared (FTIR) spectro-imaging, with a spatial resolution of 6 µm, to provide molecular information for the histological examination of gliomas. Our work was based on the research of molecular parameters of blood vessels, notably on the basis of the contents of their basement membrane, which undergoes changes due to tumor angiogenic stress. We have identified alterations of the secondary structure of proteins (such as collagen) in blood vessels during tumor growth. We have also assessed the changes in fatty acyl chains of membrane phospholipids, which revealed a higher unsaturation level in tumor vessels. Then, on a murine glioma model, we have established an efficient method of blood vessels classification based on their carbohydrates and fats contents, allowing the differentiation between healthy and tumor blood vessels. The combination of these parameters was used to provide a molecular histopathology for the study of human gliomas. Our results have demonstrated the feasibility of differentiating between healthy and tumor vasculature in these human gliomas, which help delimitating areas of corresponding tissue. This technique could become a reliable and fast analytical tool, with duration compatible with the surgery and thus very useful for neurosurgeons.

La création d'un réseau vasculaire fonctionnel est une préoccupation importante afin d'assurer la parfaite vitalité des produits d’ingénierie tissulaire (IT). La compréhension des mécanismes de l'angiogenèse est essentielle dans un objectif de synthèse de produits d’ingénierie tissulaire vascularisés. Dans ce travail, nous avons visé à caractériser le microenvironnement responsable de l'angiogenèse des cellules endothéliales (CEs). Pour cela, nous avons élaboré des biomatériaux bioactifs (polymères fonctionnalisés par des peptides, et contrôlé leur distribution à l'échelle micrométrique) afin de mimer une situation physiologique des CEs.Dans en premier temps, nous avons mis au point une stratégie de fonctionnalisation biochimique d’un matériau polymère (le polyéthylène téréphtalate, PET) en utilisant des peptides spécifiques des CEs. L'immobilisation de ces peptides a permis d’assurer une bioactivité de ces surfaces, et l’amélioration des fonctions des CEs comme l'adhésion, l’étalement et la migration cellulaire.Ensuite, notre travail s’est inscrit dans l’évaluation de l’impact d’une distribution contrôlée de peptides en surface de matériaux (acquise par photolithographie) sur le comportement des CEs et sur l’angiogenèse. Nos résultats ont montré que les CEs adhèrent et sont alignés sur les « micropatterns » peptidiques quelle que soit la taille de ces « micropatterns » (lignes de largeurs comprises entre 10 et 100 µm). Nous avons mis en évidence que la taille des « micropatterns » bioactifs a un réel impact sur le comportement des CEs (l’étalement, l'orientation et la migration cellulaire). La morphogenèse des CEs (la formation d’un « tube-like ») a été mise en évidence sur des matériaux microstructurés par des lignes peptidiques de 10 et 50 µm de largeur, quels que soient les peptides RGD ou SVVYGLR immobilisés en surface. Nous avons montré que la lumière de structures tubulaires peut être constituée d’une à quatre cellules selon la contrainte géométrique appliquée sur les « micropatterns ». Nos travaux ont montré que le « sprouting » ainsi que la formation du réseau vasculaire peuvent être induits seulement sur des surfaces « micropatternés » par des peptides SVVYGLR. Nos résultats démontrent que l'induction de l'angiogenèse est multiparamétrique. Celle-ci est dépendante de constituants biochimiques ainsi que de leur micro-distribution.Troisièmement, nous avons utilisé la modélisation mathématique pour comprendre l'impact de « micropatterns » bioactifs sur la migration des CEs. Un modèle de type continu Patlak-Keller-Segel a été utilisé, et les résultats numériques sont bien conformes avec nos résultats expérimentaux. Pour finir, nos travaux se sont focalisés sur l'étude de la stabilisation de ces structures tubulaires. Les résultats ont montré que les cocultures de CEs avec les péricytes, ainsi que le recrutement de composant de membrane basale (Matrigel) peuvent stabiliser ces structures vasculaires.En conclusion générale, le travail réalisé dans cette thèse a prouvé que le « micropatterning » des principes bioactifs sur polymères est efficace pour stimuler l'angiogenèse et pour construire une vascularisation fonctionnelle. Enfin, ce travail a permis de comprendre la biologie de l’angiogenèse et pourra aider indéniablement tous les travaux en cours s’inscrivant dans l’ingénierie tissulaire. / The creation of a functional vascular network is a major concern to ensure the vitality of perfect tissue engineered products. Understanding the mechanisms of angiogenesis is essential for the vascularization in tissue engineering. In this work, we aimed to characterize the microenvironment responsible for angiogenesis of endothelial cells. To achieve this request, we developed bioactive biomaterials (polymers functionalized mainly with peptides, and controlled their distribution at micrometer scale) to mimic a physiological microenvironment of endothelial cells. First, we developed the biochemical functionalized of polymer materials (polyethylene terephthalate, PET) using endothelial cell specific peptides. The peptide immobilization ensured the bioactivity onto material surfaces, and enhanced endothelial cell functions such as cell adhesion, spreading and migration. Second, we introduced photolithographical technique to control geometrical distribution of peptides on material surfaces, and studied the effects of peptide micropatterning onto endothelial cell (EC) angiogenesis. ECs were adhered and aligned onto peptides micropatterns whatever the size of peptide micropatterns. However, EC behaviors (cell spreading, orientation and migration) were significantly more regulated on smaller micropatterns (10 and 50 µm) than on larger stripes (100 µm). EC morphogenesis into tube formation can also switch onto the smaller micropatterns (10 and 50 µm) with either RGD or SVVYGLR peptides. The central lumen of tubular structures can be formed by single-to-four cells due to geometrical constraints applied on the micropatterns. Sprouting angiogenesis of ECs and vascular network formation can be induced on surfaces micropatterned with angiogenic SVVYGLR peptides. Our overall results revealed that the induction of angiogenesis is multi-parametric. This is dependent on biochemical constituents and their micro-distributions. Third, we employed mathematical modeling to understand the impact of bioactive micropatterns on endothelial cell migration. A continuous Patlak-Keller-Segel type model was used, and the numerical results were in well accordance with our experimental results.Furthermore, we also developed the study of stabilization of tubulogenenic structure in this thesis. The results showed that the co-cultures of endothelial cells with pericytes, as well as the recruitment of basement membrane components (Matrigel) can stabilize the vascular tube structures. In general conclusion, our work in this thesis proved that bioactive micropatterning of polymer is effective to stimulate angiogenesis and to construct functional vascularization. This work helps us to understand the fundamental biology of angiogenesis, and has great potential for application in tissue engineering.

Rôle des kinésines mitotiques Eg5 et MKLP-2 dans l’angiogenèse physiologique etpathologique.L’angiogenèse est un phénomène biologique complexe qui correspond à la formation de nouveauxvaisseaux à partir de vaisseaux préexistants. Ce processus essentiel est régulé par des nombreuxfacteurs, dont le plus puissant est le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF).Des inhibiteurs du VEGF sont actuellement utilisés dans le traitement de nombreux cancerssolides. Leur efficacité est constatée dans plusieurs études mais des résistances contre cesmolécules sont fréquemment observées. Afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques dansla voie de signalisation de VEGF, nous avons utilisé le modèle de la membrane chorioallantoïdienne(CAM) de l’embryon de poulet. Les CAM traitées au VEGF pendant 24hdéveloppent de nombreux vaisseaux. Ces tissus ont été isolés pour effectuer une analysetranscriptomique. En dehors des gènes endothéliaux déjà connus pour être régulés par le VEGF,de nouveaux gènes ont été identifiés. Nous avons focalisé notre recherche sur des gènes codantpour les kinésines mitotiques KIF11/Eg5 et KIF20A/MKLP-2 qui ont été fortement induites.Nous avons démontré qu’Eg5 et MKLP-2 sont fortement exprimées au niveau de l’endothéliumdans des tissus sains et dans des cancers solides. Des inhibiteurs chimiques spécifiques d’Eg5(dimethylenastron et ispinesib mesylate) et MKLP-2 (paprotrain) bloquent les étapes clés de laformation des vaisseaux sanguins (prolifération, adhérence et migration des cellules endothéliales),la prolifération des cellules tumorales ainsi que la formation de néo-vaisseaux dans des culturesd’anneaux aortiques. De plus, sur la CAM et chez la souris, l’inhibition de cette même kinésinediminue significativement la croissance et la vascularisation des modèles tumoraux utilisés lors dece projet (le glioblastome et le carcinome rénal). En conclusion, Eg5 et MKLP-2 pourraient descibles potentielles dans les thérapies anti-angiogéniques.Mots clés : Eg5, MKLP-2, angiogenèse, kinésine, ispinesib, dimethylenastron, glioblastome,cancer rénal / Role of the mitotic kinesins Eg5 and MKLP-2 in physiologic and pathologic angiogenesis.Angiogenesis is a complex biological phenomenon which corresponds to the formation of newblood vessels from pre-existing vessels. This process is regulated by a plethora of differentmolecules with vascular endothelial growth factor (VEGF) being one of the most important ones.VEGF inhibitors are currently used in the treatment of numerous solid cancers. Even though theefficacy of such treatment is prouven by numerous studies, resistance to anti-angiogenic therapy isa common feature. To identify new therapeutic targets downstream of VEGF, we modelized itsaction on the chick chorioallantoic membrane (CAM). VEGF-treated CAMs develop a densevascular network 24h after application. We used chick microarrays to monitor global geneexpression changes in VEGF-induced CAMs. Beside a consistent number of genes alreadydescribed to be regulated by VEGF, numerous unknown genes have been identified. We havefocused our work on the characterization of Eg5/KIF11 and MKLP-2/KIF20A, members of thekinesin family, both strongly upregulated by VEGF.We demonstrated that Eg5 and MKLP-2 are strongly expressed by blood vessels in normal andcancer tissue sections. KIF20A is involved in the proliferation and migration of endothelial cellsin vitro. We showed that chemical inhibitors specific for KIF11/Eg5 (dimethylenastron andispinesib mesylate) affect key steps in the formation of blood vessels (proliferation, adhesion andmigration of endothelial cells) and proliferation of tumor cells (glioma and renal cancer).Furthermore, in experimental glioblastoma and renal cell carcinoma models (CAM and orthotopicimplantation in mice), anti-Eg5 treatment strongly reduces tumor angiogenesis and growth. Inconclusion, Eg5 and MKLP-2 could be potential targets in anti-angiogenic therapies.Keywords: Eg5, MKLP-2, angiogenesis, kinesin, ispinesib, dimethylenastron, glioblastoma, renalcell cancer

Les glioblastomes (GBMs) sont les tumeurs cérébrales primaires les plus courantes chez l’adulte avec un pronostic fatal dans les douze mois suivant le diagnostic. De nouvelles avancées dans la connaissance de la pathologie moléculaire des GBMs et de leurs régulateurs clés sont indispensables à l’émergence de nouvelles pistes thérapeutiques. Inositol Requiring Enzyme 1 α (IRE1α) est une protéine résidente du réticulum endoplasmique (RE) agissant en tant que détecteur proximal de l’Unfolded Protein Response (UPR) en conditions physiologiques ou pathologiques. IRE1α est une enzyme bivalente possédant une activité Ser/Thr kinase et endoribonucléasique (RNase). Récemment, des mutations ponctuelles dans le gène ERN1/IRE1α ont été détectées dans les cancers chez l’homme, (en particulier dans les GBMs), et IRE1α a été proposé comme un régulateur majeur de la progression tumorale parmi les protéines kinases. Dans ce travail, nous avons montré que le blocage des deux activités Set/thr kinase et RNase dans les cellules U87-MG réprime fortement l’angiogenèse tumorale, la perfusion des vaisseaux et l’expression de facteurs pro-angiogéniques dans des modèles tumoraux de xénogreffes. Ce changement phénotypique est accompagné d’une réponse dite« d’échappement » des cellules tumorales. Celles-ci envahissent le tissu cérébral sain par migration de long des vaisseaux (mécanismes appelé co-option vasculaire). De plus, ce phénotype a été montré comme étant fonctionnellement associé au processus de transition mésenchymateuse. Par mutagenèse dirigée, nous avons montré qu’IRE1α module les processus d’angiogenèse et d’invasion par ces deux domaines catalytiques : l’activité Ser/Thr kinase d’IRE1α est essentielle pour l’angiogenèse alors que le domaine RNase d’IRE1α contrôle le phénotype invasif et co-opté. IRE1α est ainsi identifié comme un régulateur clé de la croissance du glioblastome, agissant au carrefour de signalisations majeures dans le contrôle de l’adaptation de la cellule tumorale à son micro-environnement. / Glioblastomas (GBMs) are the most common primary brain tumors in humans and remain essentially incurable. New advances in the knowledge of GBM molecular pathology and their key regulators are crucial to identify new putative ways for GBM therapy. Inositol Requiring Enzyme 1 α (IRE1α) is a transmembrane Endoplasmic Reticulum (ER)-resident protein acting as proximal sensor of the Unfolded Protein Response (UPR) in both physiological and pathological situations. IRE1α is a bivalent enzyme, displaying Ser/Thr kinase and endoribonuclease (RNase) activities in its cytosolic side. Recently, single mutations in IRE1α gene were detected in human cancers, including GBM, and IRE1α was proposed as a major contributor to tumor progression among protein kinases. In this work, we have shown that blockade of both IRE1α Ser/Thr kinase and RNase activities in U87-MG cells highly repressed tumor angiogenesis, blood perfusion and the expression of pro-angiogenic factors in human xenograft tumor models. This phenotypic change is adversely associated to the so-called "evasive response" of tumors cells. The cells began to migrate along pre-existing brain capillaries and invade healthy tissue (a process named blood vessel co-option). Moreover, this phenotype was shown to be functionally linked to the mesenchymal differentiation process. By using site-directed mutagenesis, we demonstrated that IRE1α protein modulates both angiogenesis and invasive processes through its two catalytic domains: IRE1α Ser/Thr kinase domain was essential for IRE1-mediated angiogenesis, whereas IRE1's RNase domain drove the invasive, co-opted phenotype. IRE1α is therefore identified as a key regulator of glioma progression, acting at the crossroads of major signaling networks in the control of tumor cell adaptation to its microenvironment.

La croissance tumorale et le développement des métastases sont dépendants de l'angiogenèse et reposent sur un « switch angiogénique ». Dès lors, inhiber l'angiogenèse apparaît très naturellement comme une nouvelle stratégie thérapeutique anti-cancéreuse qui consiste tout simplement à affamer une tumeur en la privant de sa vascularisation. L'angiogenèse est un processus physiologique qui fait intervenir de nombreux récepteurs, dont le récepteur du mannose-6-Phosphate ou Insulin Growth Factor II (RM6P/IGF-II). Des travaux antérieurs effectués au laboratoire ont montré que des molécules analogues du M6P sont des effecteurs d'angiogenèse mais qu'au cours de leur administration, ces composés sont facilement éliminés car trop hydrophiles. Afin d'obtenir des analogues du M6P plus lipophiles, nous avons remplacé le méthyle en position anomère par un pentyle. Par ailleurs, pour étudier l'effet « cluster » et la protection par une molécule enveloppante, une nouvelle famille de composés dérivant de la β-Cyclodextrine a été préparée. Des dérivés originaux, présentant des fonctions phosphates et azido, ainsi qu'une couronne de mannose ont été synthétisés. / Tumor growth and development of metastasis are dependent on angiogenesis and based on an « angiogenic switch». Therefore, to inhibit angiogenesis appears quite evidently as a new anticancer strategy which corresponds simply to starve a tumor by depriving its vascularisation. Angiogenesis is a physiological process that involves many receptors, including the RM6P/IGF-2. Previous work conducted in the laboratory has shown that analogues of M6P are effectors of angiogenesis but during administration, these compounds are easily removed due to their hydrophilicity. To increase the lipophilicity of the M6P analogues, we have replaced the methyl group at the anomeric position by a pentyl group. Also to study the “cluster” effect and the protective transport of molecules, a new family of compounds derived from β-cyclodextrin were prepared. Original derivatives, having azido and phosphate functions, and a crown made of mannose were synthesised.