Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le contexte de la prédiction de la toxicité en radiothérapie du cancer de la prostate. Dans l'objectif d'analyser les corrélations spatiales entre la dose et les effets secondaires cette problématique est abordée dans un cadre d'analyse de population. La mise en correspondance inter-individus de l'anatomie et de la distribution de dose planifiée soulève des difficultés liées aux fortes variabilités anatomiques et au faible contraste des images CT considérées. Nous avons envisagé différentes stratégies de recalage non-rigide exploitant les informations relatives aux structures anatomiques, aux combinaisons intensité-structure, ou aux relations inter-structures. Les méthodes proposées s'appuient notamment sur l’utilisation de descripteurs structurels des organes tels que les cartes de distances euclidiennes ou du champ scalaire solution de l’équation de Laplace. Ces méthodes ont permis d'améliorer significativement la précision de la mise en correspondance, tant au niveau anatomique que dosimétrique. Les plus performantes ont été utilisées pour analyser une population de 118 individus. Les comparaisons statistiques des distributions de dose entre les patients souffrant ou non de saignements rectaux ont permis d’identifier une sous-région du rectum où la dose semble corrélée à la toxicité. La sous-région rectale identifiée apparaît potentiellement impliquée et hautement prédictive du risque de saignement. L'approche proposée permet d’améliorer les performances des modèles mathématiques de prédiction de la toxicité. / This thesis deals with the issue of predicting the toxicity within the context of prostate cancer radiotherapy. With the aim of analyzing the spatial correlations between dose and side effects, this problem is addressed in a population analysis framework. Inter-individual matching of both the anatomy and planned dose distribution raises difficulties related to high anatomical variability and low contrast in the CT images. We considered different strategies for non-rigid registration involving the use of information on anatomical structures, intensity-structure combinations, or inter-structures relations. The proposed methods are primarily based on the use of structural descriptors of organs such as Euclidean distance maps or scalar field solution of the Laplace equation. These methods allowed us to significantly improve the accuracy of the matching, at both the dosimetric and the anatomical level. The most accurate matching strategy has been used for analyzing a population of. Statistical comparisons of dose distributions between patients with or without rectal bleeding have been used to identify a rectal sub-region likely correlated with toxicity. The identified rectal sub-region appears potentially involved in side effects and highly predictive of the risk of bleeding. The proposed approach makes it possible to improve the performance of mathematical models for predicting the toxicity.

Les cancers de la prostate sont classés en deux catégories. Les cancers de haut grade se distinguent des cancers de bas grade par une plus forte agressivité et un pronostic plus mauvais. Lorsqu’ils deviennent résistants à l’hormonothérapie, les cancers de haut grade sont traités par une chimiothérapie basée sur les taxanes. Néanmoins, les taux de réponse restent faibles. Il existe donc un réel besoin quant à l'identification d'alternatives thérapeutiques qui soient spécifiques de ce type de tumeur. Dans cette optique, notre travail a été de proposer une telle alternative par une approche qui prenne en compte la génétique spécifique des cancers de haut grade. Nous avons exploité une signature de 86 gènes dont le niveau d’expression permet de discriminer entre les tumeurs de haut et de bas grade. Par une approche in silico originale utilisant la banque de données du NCI, nous avons identifié 382 corrélations entre le niveau d’expression de 50 gènes et la sensibilité à 139 agents antiprolifératifs. Parmi ces corrélations, nous avons identifié une signature de 9 gènes qui est spécifique de la réponse à l’oxaliplatine. Cette signature a été confirmée sur le plan fonctionnel dans les lignées cancéreuses prostatiques DU145 et LNCaP. Nous avons donc fourni la preuve de concept que notre approche permet d’identifier de nouvelles molécules pouvant être utilisées en alternative aux taxanes pour traiter spécifiquement les cancers de haut grade. Cette stratégie permet aussi d’identifier de nouveaux marqueurs (gènes) régulant la sensibilité à certains médicaments. Nos résultats démontrent par exemple le rôle des gènes SHMT, impliqués dans la régulation du métabolisme monocarboné, dans la sensibilité spécifique à l’oxaliplatine par un mécanisme qui fait intervenir, du moins en partie, une dérégulation du niveau de méthylation global de l’ADN. / Prostate cancers are classified in two categories. High grade cancers are distinguished from low grade cancers by their higher agressivity and worse prognostic. When they become refractory to hormone therapy, high grade cancers are treated with a taxane-based chemotherapy. However, response rates remain low. Therefore, there is a real need for the discovery of new therapeutic alternatives which are specific for this type of tumors. For that purpose, our work aimed at proposing such an alternative with a strategy that took into account the high grade genetic background. We exploited a signature of 86 genes for which expression level could distinguish between low grade and high grade tumours. With an original in silico approach, we searched the NCI databases and identified 382 correlations between 50 genes and the sensitivity to 139 antiproliferative agents. Among these, a signature of 9 genes was able to specifically predict cell response to oxaliplatin. This signature was validated at the functional level in two prostate cancer cell lines, DU145 and LNCaP. We have thus provided the proof-of-concept that our approach allows the identification of new drugs that can be used alternatively to taxanes in order to specifically treat high grade prostate cancers. This strategy also allows the identification of new markers (genes) regulating the sensitivity to various drugs. Our results demonstrate for example the implication of SHMT genes, which are involved in the regulation of the one-carbon metabolism, in the specific sensitivity to oxaliplatin, by a mechanism which involves, at least in part, the deregulation of the global level of DNA methylation.

La prostate est un organe pelvien qui joue un rôle important dans son environnement anatomique, notamment en assurant la sécrétion d’un liquide essentiel dans la composition du liquide séminal. Le cancer de la prostate représente la première cause mortalité chez l’homme à un âge avancé. Ce travail concerne le développement par la méthode des éléments finis d'un modèle numérique du mouvement des organes pelviens (prostate, vessie, rectum) et de leurs interactions. L’objectif est la réduction des marges d'irradiation du volume cible au cours d'une séance de radiothérapie, afin de ne pas altérer les organes sains avoisinants. Les marges choisies sont importantes compte tenu du fait que la prostate subi des déplacements importants lors des interactions permanentes avec les organes avoisinants. Un premier modèle est construit à partir de la géométrie des organes pelviens générée à partir d'images scanner acquises sur patients. Des lois hyper-élastiques sont adoptées pour modéliser le comportement mécanique du rectum et de la vessie et un comportement Hookéen est considéré pour la prostate. Les paramètres physiques du modèle sont déterminés à partir de la littérature, des données expérimentales et de nos propres mesures. Les conditions aux limites cinématiques et statiques (pressions de distension intra-vésicale et intra-rectale) sont définies à partir des observations anatomiques et reflètent la présence de l’entourage anatomique et les conditions de chargement. Des comparaisons entre les variations de forme et de position d'organes obtenues par simulation et les mesures obtenues par imagerie scanner (Keros et al. ; 2006) montrent des amplitudes de déplacements proches, avec des écarts variant entre 8% et 11%. Un modèle prenant en compte la variabilité des paramètres physiques inter et intra patients est envisagé en perspectives / The prostate plays an important biological role in the human body, such as secretion of some prostatic liquid essential in the semen composition. Prostate cancer is the first cause of mortality for men at an advanced age. The prostate motion due to the interactions with the surrounding anatomic entities is difficult to predict, hence important margins are usually adopted during X-ray irradiation, in order not to damage the surrounding healthy organs (bladder and rectum). The principal objective of this work is to set up a FE model of the motion and deformation of the human pelvic organs in order to reduce the margins. A first model is constructed from CT-scans of the human pelvic organs, allowing the generation of the organ geometrics. Hyperelastic modeling of the bladder and rectum behaviors were considered whereas a Hookean model was retained for the prostate. The model parameters are fixed by adopting literature data, experimental data (from CHU-Nancy) and experimental measurements achieved on pig. Boundary conditions are defined according either surrounding anatomy kinematic constraints or internal pressures that correspond to the bladder and rectum repletion’s. Simulated displacements show order of magnitudes of the prostate motion very close to measurements carried out by Keros et al. (2006) on a deceased person, with a relative error ranging from 8% to 11%. Those differences are essentially due to the variability in the physical parameters, pointing out the need for a statistical approach in order to take into account the material, geometrical and loading variability related to a panel of patients

La reprogrammation du métabolisme est maintenant considérée comme des caractéristiques des cellules cancéreuses et une conséquence de leur adaptation à un microenvironnement hostile se traduisant par une baisse de la concentration d’oxygène et de la disponibilité des nutriments. Donc, les cellules cancéreuses sont capables d’adapter leur métabolisme pour survivre et proliférer. Des avancées récentes dans la connaissance de ces modifications permettent l’émergence de nouvelles approches thérapeutiques ciblant spécifiquement ces changements métaboliques. Un des principaux régulateurs du métabolisme cellulaire est le coactivateur transcriptionnel PGC-1α (PPARgamma coactivator1-alpha). PGC-1α contrôle, entre autres, la biogénèse mitochondriale, la phosphorylation oxydative et l’oxydation des acides gras. Récemment, il a été montré que PGC-1α facilite la biogénèse mitochondriale dans les cellules cancéreuses du sein et augmentent significativement leurs potentiels métastatiques. Au contraire, il a été montré que la surexpression de PGC-1α diminue la formation de métastases dans le mélanome et l’adénocarcinome prostatique. Cependant, les modifications métaboliques et moléculaires conduisant à l’agressivité du cancer de la prostate sont, à l’heure actuelle, peu connues. Dans ce contexte, le but de ma thèse était d’étudier le rôle de PGC-1α sur le métabolisme et l’agressivité des cellules cancéreuses de prostate. Au cours de ma thèse, nous avons démontré que la diminution de l’expression de PGC-1α augmente les trois caractéristiques fondamentales de l’agressivité tumorale : la prolifération, la migration et l’invasion. Afin de déterminer les modifications métaboliques impliquées dans ce phénotype, nous avons réalisé des expériences de métabolomiques en comparant les cellules contrôles aux cellules dont l’expression de PGC-1α est diminuée (shPGC-1α). Nous avons montré que la baisse de PGC-1α augmente significativement la biosynthèse des polyamines. Les polyamines sont impliquées dans de nombreuses fonctions cellulaires, en particulier la prolifération et la migration cellulaire. Ainsi, nous avons inhibé la synthèse des polyamines avec le DFMO, l’inhibiteur de l’enzyme limitante de la voie : ODC, ou bien des siRNA dirigés contre ODC. Nous avons montré que les effets pro-migratoires et pro-invasifs dus à l’invalidation de PGC-1α sont bloqués par le DFMO et les siRNA ODC. De façon intéressante, l’ajout de polyamines exogènes restaure partiellement l’agressivité des cellules. En accord avec ces résultats, nous montrons que ODC est surexprimée quand PGC-1α est diminué et que l’expression de ODC est régulée positivement par l’oncogène c-MYC. En s’intéressant plus en détail à cet oncogène, nous observons que son niveau d’expression augmente dans les cellules invalidées pour PGC-1α et que l’inhibition de c-MYC bloque les effets pro-migratoires et pro-invasifs dus à l’invalidation de PGC-1α. Donc c-MYC participe au phénotype agressif lié à l’augmentation de la voie de biosynthèse des polyamines. Ces résultats in vitro ont été confirmés in vivo par l’analyse des micro-métastases, ils démontrent que les cellules shPGC-1α forment plus de métastases et le traitement par le DFMO inhibe la formation de micro-métastases. Finalement, les données cliniques démontrent que l’expression de PGC-1α est diminuée chez des patients atteints de cancer de la prostate, et cette diminution est corrélée avec une augmentation de c-MYC et ODC. En conclusion, nous avons démontré que PGC-1α est le régulateur majeur d’une voie onco-métabolique par c-MYC et qui promeut l’agressivité du cancer de la prostate par l’intermédiaire de la voie de biosynthèse des polyamines. Ce nouveau circuit métabolique représente une cible thérapeutique intéressante pouvant aider à freiner les formes avancées du cancer de la prostate. / Metabolism reprogramming are now considered to be characteristic of cancer cells and a consequence of their adaptations to a hostile microenvironment resulting in a decrease in oxygen concentration (hypoxia) and the availability of nutrients, particularly glucose and glutamine. Thus, cancer cells can adapt their metabolism to survive and proliferate. Recent advances in the knowledge of these modifications allow the emergence of new therapeutic approaches targeting these metabolic changes. One of the main regulators of cellular metabolism is the transcriptional coactivator PGC-1α (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha). PGC-1α controls mitochondrial biogenesis, oxidative phosphorylation and fatty acid oxidation. Recently, it has been shown that PGC-1α promotes mitochondrial biogenesis in cancer cells and dramatically increases their metastatic potential. On the contrary, it appears that overexpression of PGC-1α decreases the formation of metastases in melanoma and prostatic adenocarcinoma. However, the metabolic and molecular changes leading to the aggressiveness of prostate cancer are unclear. Oncogenes and tumor suppressor genes are known to be able to regulate the metabolic adaptations of cancer cells. Several studies show that the number of copies of the gene is increased in 30% of prostate cancers. Transgenic mice overexpressing c-MYC in the prostate develop prostatic intraepithelial neoplasia followed by prostatic adenocarcinoma. At the cellular level, c-MYC expression has been shown to stimulate glycolysis and glutaminolysis in tumor cells, by controlling the expression of genes involved in these metabolic pathways. In addition, c-MYC is also able to increase the polyamine synthesis pathway by inducing the expression of the limiting enzyme of this pathway, ornithine decarboxylase (ODC). In this context, the purpose of my thesis was to study the role of PGC-1α on the metabolism and aggressiveness of prostate cancer cells. During my thesis, we have shown that the decrease of PGC-1α expression increases the three fundamental characteristics of tumor aggressiveness: proliferation, migration and invasion. To determine the metabolic changes involved in this phenotype, we performed metabolic experiments and compared control cells to cells where PGC-1α expression is decreased. We show that the decrease of PGC-1α significantly increases the biosynthesis of polyamines. Polyamines are involved in many cellular functions, particularly in proliferation and cell migration. Thus, we inhibit the synthesis of polyamines with DFMO, an inhibitor ODC which is the rate limiting enzyme of this pathway. We have shown that pro-migratory and pro-invasive effects due to PGC-1α knockout are blocked by DFMO and ODC siRNA. Interestingly, the addition of exogenous polyamine partially restores the aggressiveness of the cells. Consistent with these results, we show that ODC is overexpressed when PGC-1α is decreased and that ODC expression is upregulated by the c-MYC oncogene. In addition, we observe that c-MYC expression increases in cells invalidated for PGC-1α and that the inhibition of c-MYC blocks the pro-migratory and pro-invasive effects due to the invalidation of PGC-1α. Therefore, c-MYC participates in the aggressive phenotype related to the increase of the polyamine biosynthesis pathway. These in vitro results were confirmed in vivo by micro-metastasis analysis, we demonstrate that shPGC-1α cells form more metastases and treatment with DFMO inhibits the formation of micro-metastases. Clinical data indicate that PGC-1α expression is decreased in patients with prostate cancer, and this decrease correlates with an increase in c-MYC and ODC. In conclusion, we show that PGC-1α is the major regulator of an onco-metabolic which promotes prostate cancer aggressiveness via the polyamine biosynthesis pathway.

En France, le cancer de la prostate est le premier cancer par son incidence ainsi que la troisième cause de mortalité pour cette pathologie. La progression de la maladie est dépendante des androgènes. Ainsi l’un des traitements majeurs du cancer de la prostate est la déprivation androgénique : le blocage de la production ou de l’action des androgènes conduit à inhiber la croissance tumorale. La plupart des patients répondent à cette thérapie, cependant l’évolution de la pathologie vers un stade d’insensibilité à la castration est inévitable, ce qui est associé à un mauvais pronostic. Au cours de la progression du cancer de la prostate, la voie de signalisation des androgènes demeure active grâce au récepteur des androgènes. Ce récepteur est une cible idéale afin de traiter et de bloquer la progression tumorale. Une telle inhibition du récepteur des androgènes peut être faite par l’utilisation d’un anti-androgènes de seconde génération : l’Enzalutamide. Cette molécule perturbe l’interaction entre le récepteur des androgènes et son ligand, elle peut bloquer la translocation nucléaire du récepteur activé mais elle empêche aussi son interaction avec l’ADN. Bien que l’utilisation de l’Enzalutamide ait contribué à améliorer la survie des patients, son utilisation conduit à l’émergence d’une résistance à l’Enzalutamide, ce qui constitue un défi thérapeutique considérable.L’objectif principal de mes travaux de thèse est d’identifier de nouvelles protéines afin d’améliorer les effets thérapeutiques de l’Enzalutamide ou de surmonter la résistance à ce médicament. Ainsi dans notre étude, nous avons supposé que le traitement à l’Enzalutamide induit l’activation de voies de signalisation spécifiques, pouvant être impliquées soit dans le mécanisme d’action du médicament ou dans la résistance à ce dernier. Cette hypothèse nous a conduit à l’identification des protéines MAPKs p38, qui sont activées lors d’un traitement avec l’Enzalutamide. Nos résultats démontrent que la combinaison d’Enzalutamide et d’inhibiteur de la MAPK p38 a un effet antitumoral significatif aussi bien in vitro que in vivo. Le mécanisme d’action de cet effet cytotoxique et synergique reste à l’étude. Ces données permettraient d’approfondir la compréhension des mécanismes de résistance lors d’un traitement à l’Enzalutamide et contribuer à la potentialisation de l’effet thérapeutique de cet antiandrogènes. / In France, prostate cancer is the most frequently diagnosed male cancer and its progression is tightly associated with the androgen signals. One of the major treatments for prostate cancer is androgen deprivation therapy which is based on blocking the production or action of the androgens to induce a tumor growth inhibition. Most patients respond to this therapy, however they still reach a castration-resistant stage which is associated with a poor prognosis. Since the progression till this late cancer stage is still driven by the androgen signaling pathway, the second-line therapy is focused on targeting the active androgen receptor by using a second-generation anti-androgens: the Enzalutamide. This molecule disrupts the interaction between the androgen receptor and its ligand, it can block the nuclear translocation of the receptor and it also prevents the receptor interaction with DNA. Although Enzalutamide treatment has enhance the patient survival, some drug resistance still arises which is a considerable therapeutic challenge.The main objective of my thesis is to identify new proteins in order to improve the therapeutic effects of Enzalutamide or to overcome resistance to this drug. Thus, in our study, we assumed that Enzalutamide treatment induces the activation of specific signaling pathways which may be involved in the cancer cell response to the treatment. This hypothesis led us to identify the MAPKs p38 proteins, which are activated during treatment with Enzalutamide. Our results show that the combination of Enzalutamide and p38 inhibitor has a significant antitumor effect both in vitro and in vivo. The mechanism of action of this cytotoxic and synergistic effect remains under study. These data would allow a better understanding of the Enzalutamide resistance mechanisms and contribute to the enhancement of the therapeutic effect of this anti-androgen.

La sénescence cellulaire est un mécanisme naturel de suppression tumorale défini par un arrêt stable de la prolifération. Bien que presque toujours mutées dans au moins une des voies déclenchant la sénescence (ex : p53/p21 ou p16/Rb), les cellules cancéreuses conservent souvent la capacité d’y entrer en réponse au traitement. Cette sénescence induite par la thérapie (SIT) peut être ciblée pharmacologiquement pour en renforcer les effets positifs. Une approche émergente consiste à combiner un traitement anticancéreux induisant la sénescence à un sénolytique, agent éliminant spécifiquement les cellules sénescentes. Dans le contexte du cancer de la prostate (CP), différents types de SIT ont déjà été observées dans de multiples modèles exposés à différents traitements. Cependant, le manque de données comparant ces phénotypes souligne le besoin d’analyses plus systématiques. De plus, la sensibilité aux sénolytiques des cellules du CP en état de SIT n’a pas encore été évaluée dans ces contextes. Dans cette étude, nous avons évalué les destins cellulaires des lignées du CP après exposition à trois traitements pertinents au niveau clinique : l’irradiation et l’olaparib, deux inducteurs de dommages à l’ADN et l’enzalutamide, un anti-androgène. Dépendamment de la lignée, les traitements par irradiation et olaparib ont mené à une réponse dirigée principalement vers la sénescence ou vers une réponse mixte de mort cellulaire, de catastrophe mitotique et de sénescence. Dans tous les cas, ceux-ci ont déclenché un phénotype sénescent classique et convertible en mort cellulaire par des sénolytiques inhibiteurs des antiapoptotiques de la famille Bcl-2. D’autre part, le traitement à l’enzalutamide a déclenché un phénotype semblable à la sénescence se distinguant par sa réversibilité, son absence de dommages à l’ADN et son insensibilité à ces mêmes sénolytiques. Globalement, nos résultats soulignent l’importance du contexte thérapeutique dans l’élaboration des stratégies de manipulation de la SIT du CP. Ils constituent également une justification robuste à l’étude préclinique des traitements combinant la radiothérapie ou l’olaparib à des inhibiteurs des antiapoptotiques de la famille Bcl-2 dans le contexte du CP. / Cellular senescence is a natural tumor suppression mechanism defined by a stable proliferation arrest. Although almost always mutated in at least one of the senescence pathways genes (e.g., p53/p21 or p16/Rb), cancer cells often retain the ability to become senescent in response to treatment. This therapy-induced senescence (TIS) can be pharmacologically targeted to enhance its positive effects. An emerging approach is to combine senescence-inducing cancer treatment with senolytics, compounds that specifically eliminate senescent cells. In the context of prostate cancer (PCa), different types of TIS have already been observed in multiple models exposed to different treatments. However, the lack of data comparing these phenotypes highlights the need for more systematic analyses. In addition, the senolytic sensitivity of TIS PCa cells has not yet been evaluated in these settings. In this study, we evaluated the cell fates of PCa cell lines after exposure to three clinically relevant treatments: irradiation and olaparib, two DNA damage inducers, and enzalutamide, an anti-androgen. Depending on the cell line, irradiation and olaparib treatments led to a response mainly directed towards senescence or toward a mixed response of cell death, mitotic catastrophe and senescence. In all cases, these treatments triggered a classic senescent phenotype that was convertible to cell death by senolytic inhibitors of the Bcl-2 family antiapoptotics. On the other hand, treatment with enzalutamide triggered a senescence-like phenotype, distinguishable by its reversibility, absence of DNA damage and insensitivity to these same senolytics. Overall, our results underscore the importance of the therapeutic context in the development of PCa-TIS manipulation strategies. They also provide a robust rationale for the preclinical study of treatments that combine radiotherapy or olaparib with Bcl-2 family antiapoptotic inhibitors in the PCa context.

Les bisphénols et les phtalates sont des contaminants environnementaux ubiquitaires du fait de leur utilisation massive dans la fabrication de divers produits de consommation. L’exposition à ces molécules est liée à de nombreuses pathologies, dont les cancers hormono-dépendants, mais les mécanismes moléculaires exacts par lesquels elles induisent leurs effets restent largement inconnus.Au cours de ce travail, nous avons étudié l’implication de la sérine thréonine kinase PKD1 dans l’effet de quatre bisphénols : bisphénol A (BPA), bisphénol AF (BPAF), bisphénol F (BPF) et bisphénol S (BPS) et deux phtalates (DEHP et MEHP) sur des cellules du cancer du sein et de la prostate.Nous avons ainsi montré que le BPAF, BPF, BPS, DEHP et MEHP stimulent de manière dose-dépendante la prolifération, la clonogénicité et la croissance indépendante de l’ancrage des cellules MCF-7 et que ces processus sont dépendants de l’expression de PKD1. En revanche, nous avons mis en évidence l’absence d’effet pro-prolifératif du BPA dans trois lignées de cancer de la prostate (LNCaP, PC3 et DU145). D’autre part, nous avons pu identifier que le BPA induit la phosphorylation de PKD1 dans les mitochondries. Enfin, nous avons démontré qu’il existe un effet cumulatif de certaines combinaisons de traitement de bisphénols et de phtalates et mis en évidence que le BPAF induit la transition épithélio mésenchymateuse des cellules MCF-7.Nos résultats permettent ainsi d’identifier PKD1 comme étant une cible moléculaire de certains bisphénols et phtalates dans les cellules MCF-7 fournissant de nouvelles connaissances sur les mécanismes d’action de ces molécules. / Bisphenols and phthalates are ubiquitous environmental contaminants due to their extensive use in the production of a variety of consumer products. Exposure to these molecules is linked to multiple pathologies including hormone-dependent cancers. However, the exact molecular mechanisms by which they exert their effects remain largely unknown.In our study, we analyzed the implication of the serine threonine kinase PKD1 in the effect of four bisphenols : bisphenol A (BPA), bisphenol AF (BPAF), bisphenol F (BPF) and bisphenol S (BPS) and two phthalates (DEHP and MEHP) on breast and prostate cancer cells.We thus showed that BPAF, BPF, BPS, DEHP and MEHP induce, in a dose-dependent manner, the proliferation, clonogenicity and anchorage independent growth of MCF-7 breast cancer cells, via a PKD1-dependent pathway. On the other hand, we showed that BPA does not have a pro-proliferative effect in three prostate cancer cell lines (LNCaP, PC3 and DU145). Furthermore, we determine that BPA induced the phosphorylation of PKD1 into the mitochondria. Finally, we demonstrated that BPAF stimulates epithelial to mesenchymal transition of MCF-7 cells and that co-exposure to combinations of bisphenols and phthalates induces cumulative proliferation effects in MCF-7 cells.Our results characterize PKD1 as a molecular target for bisphenols and phthalates in MCF-7 cells, providing new elements in the knowledge of the mechanisms of action of these molecules.

Le sélénium est reconnu comme un micronutriment important pour l'homme et les animaux. Plusieurs études ont montré qu'une supplementation en sélénium dans le régime alimentaire pourrait être bénéfique contre les cancers du foie, du colon, du pancréas et de la prostate. Le mécanisme anti-carcinogène du sélénium se produit au niveau systémique, cellulaire et nucléaire. Ces processus peuvent également impliquer le système immunitaire et ne doivent pas être interprétés par un seul mécanisme. Jusqu'à présent son mécanisme d'action est encore inconnu. L'objectif de cette étude était d'étudier l'effet des composés du sélénium, à faibles concentrations, sur la capacité de réparation de l'ADN dans les cellules du cancer de la prostate LNCaP (p53 compétentes). Ce travail est divisé en trois parties. La première partie du travail a été consacrée à étudier l'effet des deux composés du sélénium (SS et SM) sur les propriétés cytotoxiques et génotoxiques de différents stress oxydatifs et non oxydatifs. Les résultats ont montré qu'un prétraitement avec une faible dose en Se stimulait la synthèse des sélénoprotéines, et protègait contre la toxicité et les dommages oxydatifs à l'ADN induites par les UVA ou H2O2, mais pas par MMS ou UVC. La deuxième partie a été consacrée à l'influence de la supplementation en sélénium sur la capacité de réparation de l'ADN. Notre travail a clairement montré l'augmentation de l'efficacité d'excision de certaines glycosylases que n'est pas nécessairement corrélée à une augmentation de l'expression génique et /ou protéiques. Enfin, la troisième partie de notre travail a été dédiée à l'optimisation de la technique Host Cell Reactivation (HCR) qui nous a permis d'étudier la capacité de réparation de l'ADN in cellulo, afin de cibler les partenaires impliqués dans la voie de signalisation affectées par la supplémentation en sélénium. En conclusion, nous pourront penser que le mécanisme d'action du sélénium est représenté par un délicat équilibre entre l'activation et la répression de l'activité de certaines protéines qui induit des changements conformationnels plus ou moins directement impliqués dans la réparation de l'ADN et la progression de la croissance cellulaire.

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement. / Background: Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer in Canadian men and is the third deadliest after lung and colon cancers. Currently, prostate cancer treatments are based on results obtained of digital rectal exam, Gleason scores from biopsy specimens and serum PSA (Prostatic Specific Antigen) levels. The identification of specific biomarkers for diagnosis and prognosis, as well as new therapeutic targets, is quickly paving the way for personalized medicine. Ideally, in the future, patient care will include molecular signature of a patient's disease to guide for a more efficient treatment. In this thesis, we evaluated the DNA damage response (DDR) as a potential biomarker in prostate cancer. DNA lesions in mammalian cells trigger the DDR signalling cascade that orchestrates DNA repair and activate cell cycle checkpoints to preserve genome integrity. Loss of genome stability is usually associated with cancer development, and activated DDR signalling in cells with genomic instability act as a cancer barrier in several pre-neoplastic human lesions, including prostate cancer. Thus, the DDR is an important cancer suppression mechanism. The DDR is also activated in response to anti- cancer agents including radiation therapy (RT) and DNA-damaging chemotherapies. Pre- existing DDR levels in prostate cancer cells may influence the outcome of these cancer treatments. DDR signalling has been detected during human prostate cancer progression from low levels in normal prostate cells to high levels in high-grade prostatic intraepithelial neoplasia (HG-PIN). However, DDR signalling variations detected from HG-PIN to adenocarcinoma remain unclear, and no correlations were performed with patient clinical outcome data. Our hypothesis is that the levels of persistent DDR signalling activity will be variable with different grades and aggressiveness of prostate cancer. The levels of this activity could be correlated with the clinical responses to treatments and could even predict this process. We believe that having new biomarkers will help personalizing cancer treatment and certainly increase treatments’ efficiency. Our objectives are to characterize the occurrence of DDR activation in prostate carcinoma and to correlate it with patients’ survival and responsiveness to treatment. Methods: We used tissue microarrays (TMAs) from human radical prostatectomy specimens of 300 men with prostate cancer and estimated the level of DDR protein expression in the stromal and epithelial compartments of normal and aggressive cancer tissues. The expression level of the DDR markers p53 binding protein-1 (53BP1), phosphorylated H2AX (p-H2AX), p65 (p65 subunit of Nuclear Factor (NF-κB) and phosphorylated checkpoint kinase-2 (p-CHK2) was quantified using immunofluorescence (IF) coupled to high-content automated imaging. The quantification of our DDR markers was first validated on an experimental TMA (TMA-cell) including normal and irradiated (to induce DDR signalling) cultured human fibroblasts. The data was quantified using binary layers commonly used to classify pixels in an image so areas could be analysed independently allowing the segregation of specific compartments including nuclei, epithelia and stroma. Arithmetic operations were performed to render values corresponding to DDR activation that were then correlated with clinical outcomes such as biochemical recurrence and occurrence of bone metastasis. Results: We found that low levels of p65 protein expression in the nuclear epithelial compartments of normal prostate tissue were associated with a reduced probability of biochemical failure (which corresponds to a rise in the serum level of PSA in prostate cancer patients following treatment, surgery in this cohort of patients). Moreover, we also observed that low levels of 53BP1 protein expression in the nuclear epithelial compartments of normal and cancerous prostate tissue were associated with a lower incidence of bone metastasis. Conclusion: These results confirm that p65 has prognostic value in patients with prostate adenocarcinoma. Based on our results, we suggest that 53BP1 marker may have a prognostic value as well. The validation of other markers and particularly DDR markers may correlate with patients’ outcome. With longer follow-up, it may translate into correlation with survival. Levels of DDR activity in cancer tissue could be used in daily clinic as part of the patient’s diagnostic profile as much as his prostatic specific antigen (PSA) or Gleason score in order to predict response and personalize the treatment in order to guide the patients towards the most appropriate treatment amongst all those available for their prostate cancer.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes canadiens et la troisième cause de décès relié au cancer. Lorsque diagnostiqué à un stade précoce de la maladie, le cancer de la prostate est traité de manière curative par chirurgie et radiothérapie. Par contre, les thérapies actuelles ne peuvent éradiquer la maladie lorsqu’elle progresse à des stades avancés. Ces thérapies, comme la chimiothérapie et l’hormonothérapie, demeurent donc palliatives. Il est primordial d’optimiser de nouvelles thérapies visant l’élimination des cellules cancéreuses chez les patients atteints des stades avancés de la maladie. Une de ces nouvelles options thérapeutiques est l’immunothérapie. L’immunothérapie du cancer a fait des progrès considérables durant les dernières années. Cependant, les avancements encourageants obtenus lors d’essais précliniques ne se sont pas encore traduits en des résultats cliniques significatifs. En ce qui concerne le cancer de la prostate, les résultats négligeables suivants des interventions immunothérapeutiques peuvent être causés par le fait que la plupart des études sur le microenvironnement immunologique furent effectuées chez des modèles animaux. De plus la majorité des études sur l’immunologie tumorale humaine furent effectuées chez des patients atteints d’autres cancers, tels que le mélanome, et non chez les patients atteints du cancer de la prostate. Donc, le but central de cette thèse de doctorat est d’étudier le microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate afin de mieux définir les impacts de la tumeur sur le développement de la réponse immunitaire antitumorale. Pour réaliser ce projet, nous avons établi deux principaux objectifs de travail : (i) la caractérisation précise des populations des cellules immunitaires infiltrant la tumeur primaire et les ganglions métastatiques chez les patients atteints du cancer de la prostate; (ii) l’identification et l’étude des mécanismes immunosuppressifs exprimés par les cellules cancéreuses de la prostate. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la progression du cancer de la prostate est associée au développement d’un microenvironnement immunosuppressif qui, en partie, est régulé par la présence des androgènes. L’étude initiale avait comme but la caractérisation du microenvironnement immunologique des ganglions drainant la tumeur chez des patients du cancer de la prostate. Les résultats présentés dans le chapitre III nous a permis de démontrer que les ganglions métastatiques comportent des signes cellulaires et histopathologiques associés à une faible réactivité immunologique. Cette immunosuppression ganglionnaire semble dépendre de la présence des cellules métastatiques puisque des différences immunologiques notables existent entre les ganglions non-métastatiques et métastatiques chez un même patient. La progression du cancer de la prostate semble donc associée au développement d’une immunosuppression affectant les ganglions drainant la tumeur primaire. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l’impact de la thérapie par déplétion des androgènes (TDA) sur le microenvironnement immunologique de la tumeur primaire. La TDA est associée à une augmentation marquée de l’inflammation prostatique. De plus, les protocoles d’immunothérapies pour le cancer de la prostate actuellement évalués en phase clinique sont dirigés aux patients hormonoréfractaires ayant subi et échoué la thérapie. Cependant, peu d’information existe sur la nature de l’infiltrat de cellules immunes chez les patients castrés. Il est donc essentiel de connaître la nature de cet infiltrat afin de savoir si celui-ci peut répondre de manière favorable à une intervention immunothérapeutique. Dans le chapitre IV, je présente les résultats sur l’abondance des cellules immunes infiltrant la tumeur primaire suivant la TDA. Chez les patients castrés, les densités de lymphocytes T CD3+ et CD8+ ainsi que des macrophages CD68+ sont plus importantes que chez les patients contrôles. Nous avons également observé une corrélation entre la densité de cellules NK et une diminution du risque de progression de la maladie (rechute biochimique). Inversement, une forte infiltration de macrophages est associée à un plus haut risque de progression. Conjointement, durant cette étude, nous avons développé une nouvelle approche informatisée permettant la standardisation de la quantification de l’infiltrat de cellules immunes dans les échantillons pathologiques. Cette approche facilitera la comparaison d’études indépendantes sur la densité de l’infiltrat immun. Ces résultats nous ont donc permis de confirmer que les effets pro-inflammatoires de la TDA chez les patients du cancer de la prostate ciblaient spécifiquement les lymphocytes T et les macrophages. L’hypothèse intéressante découlant de cette étude est que les androgènes pourraient réguler l’expression de mécanismes immunosuppressifs dans la tumeur primaire. Dans le chapitre V, nous avons donc étudié l’expression de mécanismes immunosuppressifs par les cellules cancéreuses du cancer de la prostate ainsi que leur régulation par les androgènes. Notre analyse démontre que les androgènes augmentent l’expression de molécules à propriétés immunosuppressives telles que l’arginase I et l’arginase II. Cette surexpression dépend de l’activité du récepteur aux androgènes. Chez les patients castrés, l’expression de l’arginase II était diminuée suggérant une régulation androgénique in vivo. Nous avons observé que l’arginase I et l’arginase II participent à la prolifération des cellules du cancer de la prostate ainsi qu’à leur potentiel immunosuppressif. Finalement, nous avons découvert que l’expression de l’interleukin-8 était aussi régulée par les androgènes. De plus, l’interleukin-8, indépendamment des androgènes, augmente l’expression de l’arginase II. Ces résultats confirment que les androgènes participent au développement d’une microenvironnement immunosuppressif dans le cancer de la prostate en régulant l’expression de l’arginase I, l’arginase II et l’interleukin-8. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse témoignent du caractère unique du microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate. Nos travaux ont également permis d’établir de nouvelles techniques basées sur des logiciels d’analyse d’image afin de mieux comprendre le dialogue entre la tumeur et le système immunitaire chez les patients. Approfondir les connaissances sur les mécanismes de régulation du microenvironnement immunologique chez les patients atteint du cancer de la prostate permettra d’optimiser des immunothérapies mieux adaptées à éradiquer cette maladie. / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer in Canadian men and the third cause of cancer related death. When diagnosed at an early stage, prostate cancer can be effectively cured by surgery and radiotherapy. However, current therapies do not eradicate the advanced stages of the disease. Treatment of prostate cancer via chemotherapy or hormonotherapy remains palliative. It is thus essential to optimize novel therapies whose goal is to eliminate tumor cells in patients with advanced prostate cancer. One such approach is immunotherapy. Cancer immunotherapy has made important strides in recent years. The encouraging progress observed in pre-clinical trials has nonetheless not translated to significant results in the clinical setting. Concerning prostate cancer, the limited clinical efficacy of current immunotherapeutic protocols could be explained by the lack of studies directly evaluating the immunological microenvironment in prostate cancer patients and not in animal models or in patients afflicted by other malignancies, such as melanoma. Thus, the fundamental goal of this Ph.D. thesis is to study the immunological microenvironment in prostate cancer patients in order to better understand the impact of the tumor on the development of the anti-tumoral immune response. To realize this project, we established two main working objectives: (i) to precisely characterize the immune cell populations in tumor draining lymph nodes (LNs) and in the primary tumor of prostate cancer patients; (ii) to identify and to study the immunosuppressive pathways expressed by prostate cancer cells. The results detailed in this thesis demonstrate that prostate cancer progression is associated with the development of an immunosuppressive microenvironment, which is regulated, in part, by the presence of androgens. The initial study was based on the characterization of the immunological microenvironment of tumor draining LNs of prostate cancer patients. The results presented in chapter III allowed us to demonstrate that metastatic lymph nodes displayed cellular and histopathological evidence associated with a reduced immunological reactivity. This LN immunosuppression seemed to be dependant on the presence of metastatic cells as we noted significant immunological differences between non-metastatic and metastatic lymph nodes of the same patient. Prostate cancer progression was thus associated with the development of an immunosuppressive state, which affected tumor-draining lymph nodes. Next, we studied the impact of androgen deprivation therapy (ADT) on the immunological microenvironment of the primary tumor. Following ADT, there is a marked augmentation in intra-prostatic inflammation. Immunotherapeutic protocols currently evaluated in clinical trials are targeted at hormone refractory patients, which have received and failed ADT. However, very little information is available regarding the nature of the post-ADT immune infiltrate. Thus, it becomes essential to understand whether this post-ADT infiltrate could positively react to immunotherapy. In chapter IV, I present the results of the quantification of the immune cell abundance within the primary tumor. In patients who have received ADT prior to surgery, there was an elevated density of CD3+ and CD8+ T lymphocytes as well as CD68+ macrophages compared to control patients. We also observed an inverse correlation between the NK cell density and the risk of disease progression (biochemical recurrence). Conversely, an elevated macrophage infiltration was associated with a higher risk of progression. Furthermore, for this study, we developed a novel computerized approach allowing for the standardization of the quantification of immune cell infiltrate. This approach could facilitate the interpretation of results from independent studies on the density of immune cells within pathological specimens. This study confirmed that the pro-inflammatory impact of androgen deprivation therapy in prostate cancer patients target specifically the T lymphocyte and macrophage populations. The interesting hypothesis arising from this study was that androgens could positively regulate the expression of immunosuppressive pathways within the primary tumor. In chapter V, we evaluated the immunosuppressive mechanisms expressed by prostate cancer cells and regulated by androgens. Our analysis demonstrate that androgens increase the expression of molecules with immunosuppressive properties, such as arginase I and arginase II in an androgen receptor dependent manner. This androgen regulated expression of arginase II was also observed in prostate cancer patients treated by ATD. We observed that arginase I and arginase II participate in prostate cancer cell proliferation as well as in their immunosuppressive potential. Finally, we discovered that interleukin-8 expression was also regulated by androgens. Moreover, interleukin-8, independently of androgens, increased the expression of arginase II. Altogether, these results confirmed that androgens participate in the development of an immunosuppressive microenvironment in prostate cancer by regulating the expression of arginase I, arginase II and interlukin-8. In conclusion, the results presented in this thesis attest to the unique character of the immunological microenvironment in prostate cancer patients. Our work has also allowed to establish novel software-based analysis methods in order to better understand the dialogue between the tumor and the immune system. Further understanding of the regulatory pathways involved in the immunological microenvironment will allow for the optimization of immunotherapies better suited to eradicate prostate cancer.