L'hypoxie est une caractéristique saillante de nombreuses tumeurs solides et provient d'un apport vasculaire inadéquat et immature, entraînant une diminution l'apport d'oxygène et nutriments. Ces régions hypoxiques montrent une résistance aux modalités de traitement classiques telles que la radio et la chimiothérapie et sont associées à une survie insuffisante. Dans des conditions hypoxiques,le HIF-1α améliore l'expression de nombreux gènes cibles,l'un d'eux étant l'anhydrase carbonique IX (CAIX). La CAIX est une enzyme transmembranaire,impliquée dans l'hydratation réversible du dioxyde de carbone au bicarbonate et au proton. L'objectif de cette thèse était de cibler CAIX en utilisant divers médicaments à double cible combinés avec des radiosensibilisateurs, des médicaments cytotoxiques etdes médicaments bio-réductibles. Dans cette thèse,plusieurs approches de ciblage CAIX ont été étudiées.Étant donné que les nitroimidazoles sont de bons sensibilisants cellulaires hypoxiques, nous avons conçu plusieurs composés à double cible existant par combinaison d'un nitroimidazole et d'une fraction inhibitrice d'anhydrase carbonique IX (chapitre 3). Auparavant, notre groupe a montré que le dérivé à base de sulfamide 7 a amélioré l'efficacité thérapeutique de l'irradiation de manière dépendante la CAIX avec un rapport d'amélioration de la sensibilisation (SER) de 1,50, ce qui est plus élevé que plusieurs radiosensibilisateurs testés cliniquement tels que le misonidazole et le nimorazole. L'efficacité de la chimiosensibilisation a été observée lors de la combinaison de 7 avec doxorubicine chez des souris porteurs de tumeur HT29 (chapitre 3).Une approche à double cible similaire peut être exploitable pour délivrer des médicaments cytotoxiques vers des cellules exprimant CAIX, ce qui entraîne une administration ciblée spécifique de la tumeur et par conséquent réduit la toxicité normale des tissus. Le chapitre 4 décrit la conception et la synthèse de nouvelles séries de composés à double cible combinant plusieurs médicaments anti-cancéreux. Un seul composé,c'est-à-dire un dérivé ATRi, a montré une efficacité supérieure en association avec un rayonnement dans des cellules surexprimant CAIX par rapport aux cellules dépourvues d'expression CAIX.Le chapitre 5 décrit la conception et la synthèse de divers dérivés de nitroimidazole bio-réductibles,des agents alkylants de moutarde d'azote et des dérivés de N-oxyde combinés avec une fraction inhibitrice de l'anhydrase carbonique IX. Tous ces composés présentent des profils d'inhibition faibles à modérés vers plusieurs isoformes CA testées. Nous avons observé que différentes substitutions et liens dans la même famille de composés influencent la capacité de liaison à CAIX.Pour élargir notre étude sur les médicaments bio-réductibles, le chapitre 6 décrit la conception et la synthèse de 2, 5-nitroimdazole et moutarde d'azote combinées avec des inhibiteurs de l'anhydrase carbonique IX par un agent de liaison de carbamate. Le dérivé 2-nitroimidazole 1b a révélé une cytotoxicité dans les lignées cellulaires HT29 et HCT116 et pourrait être expliqué par le potentiel de réduction des 2-nitroimidazoles par rapport aux 5-nitroimidazoles, car nos résultats n'ont montré aucune cytotoxicité des dérivés du 5-nitroimidazole. Nos futures études visent à optimiser l'efficacité radiosensibilisante de 2b et 2c explorent davantage les propriétés cytotoxiques de 1b.En conclusion, cette thèse a montré que le double nitroimidazole cible combiné à la CAIXi augmente l'efficacité des modalités de traitement standard telles que la chimiothérapie et la radiothérapie. Le ciblage de la CAIX avec la combinaison de médicaments cytotoxiques continue d'être une approche intéressante pour les tumeurs hypoxiques cibles à l'avenir. Les médicaments bio-réductibles avec des potentiels de réduction plus élevés serviraient d'agents cytotoxiques potentiels aux tumeurs hypoxiques, ce qui réduirait la toxicité tissulaire normale. / Hypoxia is a salient feature in many solid tumors and arises due to an inadequate and immature vascular supply resulting in a decreased delivery of oxygen and nutrients. These hypoxic regions show resistance towards conventional treatment modalities such as radio- and chemotherapy and are associated with poor survival. Under hypoxic conditions HIF-1α enhances the expression of many target genes, one of them being carbonic anhydrase IX (CAIX).CAIX is a transmembrane enzyme, which is involved in reversible hydration of carbon dioxide to bicarbonate and a proton.The aim of this thesis was to target CAIX using various dual target drugs combined with radiosensitizers, cytotoxic drugs and bio-reducible drugs.In this thesis several CAIX targeting approaches have been investigated.Since nitroimidazoles are good hypoxic cell sensitizers,we have designed several dual target compounds existing out of a combination of a nitroimidazole and a carbonic anhydrase IX inhibitory moiety (Chapter 3). It has been shown that extracellular acidity limits the uptake of weak basic chemotherapeutic drugs, such as doxorubicin, and thereby decreases its efficacy. We hypothesized that combining these nitroimidazole moieties with a sulfonamide/sulfamide/sulfamate to target CAIX results in a decrease in extracellular acidosis and sensitizes hypoxic tumors to chemo- and radiotherapy. Previously, our group has shown that the sulfamide-based derivative 7 enhanced the therapeutic efficacy of irradiation in a CAIX dependent manner with a sensitization enhancement ratio of 1.50,which is higher than several clinically tested radiosensitizers such as misonidazole and nimorazole. Chemosensitization efficacy was observed upon combination of 7 with doxorubicin in HT29 tumor-bearing mice (Chapter 3).A similar dual target approach may be exploitable to deliver cytotoxic drugs towards CAIX expressing cells, resulting in a specific tumor targeted delivery and consequently reduced normal tissue toxicity. Chapter 4 describes the design and synthesis of new series of dual target compounds combining several anti-cancer drugs, Only one compound, i.e. an ATRi derivative, showed a higher efficacy in combination with radiation in CAIX overexpressing cells as compared to cells lacking CAIX expression.Chapter 5 describes the design and synthesis of various bio-reducible nitroimidazole derivatives, nitrogen mustard alkylating agents and N-oxide derivatives combined with a carbonic anhydrase IX inhibiting moiety. All these compounds showed weak to moderate inhibition profiles towards several tested CA isoforms. We have observed that different substitutions and linkers within the same family of compounds influence the binding capacity to CAIX. For example derivatives 17 and 20 belong to same family, but have a different linker and substitution of the aromatic ring, leading to a different binding capacity towards CAIX.To expand our study on bio-reducible drugs, Chapter 6 describes the design and synthesis of 2-, 5-nitroimdazole and nitrogen mustards combined with carbonic anhydrase IX inhibitors by a carbamate linker. The 2-nitroimidazole derivative 1b revealed cytotoxicity in HT29 and HCT116 cell lines and might be explain by the higher reduction potential of 2-nitroimidazoles compared to 5-nitroimidazoles, since our results did show no cytotoxicity of the 5-nitroimidazole derivatives. Our future studies aim to optimize the radiosensitizing efficacy of 2b and 2c and further explore the cytotoxic properties of 1b.In conclusion, this thesis showed that the dual target nitroimidazole combined with CAIXi increases the efficacy of standard treatment modalities such as chemo and radiotherapy. Targeting CAIX with combination of cytotoxic drugs continues to be an interesting approach to target hypoxic tumors in future. Bio-reducible drugs with higher reduction potentials would serve as potential cytotoxic agents to hypoxic tumors thereby decreasing the normal tissue toxicity.

Les anhydrases carboniques (CAs, EC4.2.1.1) sont une famille ubiquitaire de métalloenzymes à zinc. Ces enzymes catalysent la réaction réversible d'hydratation du dioxyde de carbone en bicarbonate avec la formation d'un proton. Elles jouent ainsi un important rôle dans de nombreux processus physiologiques tels que la respiration, le transport des ions entre les tissus, l´homéostasie et la régulation du pH. Chez l'homme, seize isoformes différents ont été décrits et certains d'entre eux sont impliqués dans divers troubles pathologiques comme le cancer avec les isoformes CA IX et CA XII. Par ailleurs, des deux enzymes, la CA IX est non seulement l'isoforme le plus actif pour la réaction précédemment décrite mais, elle est aussi la plus largement exprimée dans les tumeurs sous hypoxie (carcinome du sein, du colon…). Grâce à son rôle dans l'acidification du microenvironnement tumoral, la CA IX est associée au phénomène de métastases. Il a été démontré que l'inhibition de son activité catalytique permet de réduire non seulement la croissance et la prolifération tumorale mais aussi la résistance de ces tumeurs aux traitements anticancéreux conventionnels. Dans le cadre d'une approche pharmacologique, cette inhibition se fait via des petites molécules possédant en leur sein une fonction liant l'atome de zinc du site actif de l'enzyme. Dans ce manuscrit, nous avons décrit la synthèse de glycoinhibiteurs insaturés inédits à travers le développement d'une nouvelle méthodologie de synthèse, la sulfamidoglycosylation, basée sur le réarrangement de Ferrier puis le développement d'une nouvelle fonction liant l'atome de zinc, l'hydroxylamine-O-sulfonamide, qui a ensuite servi pour la synthèse d'autres glycoinhibiteurs insaturés par sulfonamidoglycosylation. Ces composés ont montré des activités inhibitrices de l'ordre du nanomolaire sur la CA IX et la CA XII. / The carbonic anhydrases (CAs, EC 4.2.1.1) are ubiquitous zinc enzymes. These enzymes catalyse the reversible hydration reaction of carbon dioxide to bicarbonate, releasing a proton in the process. The enzymes are thus key players in numerous physiological processes such as respiration, ion transport between tissues, homeostasis and pH regulation. In humans, sixteen different isoforms have been described and some of them are involved in diverses pathological conditions such as the CA IX and CA XII isoforms in cancer. Furthermore, from the two enzymes, CA IX is not only the most active isoform for the previously described reaction, but also the most widely expressed under hypoxia in hypoxic tumors (breast carcinoma, colon ...). Through its role in the acidification of the tumoral microenvironment, the CA IX is associated with metastases. It has been demonstrated that inhibition of its catalytic activity reduces not only the tumoral growth and proliferation, but also the resistance of these tumors to conventional cancer treatments. As part of a pharmacological approach, the known inhibitors are small molecules bearing a zinc binding function. In this manuscript, we described the synthesis of novel unsaturated glycoinhibitors through the development of a new synthetic methodology, the sulfamidoglycosylation based on the Ferrier rearrangement, and the development of a new zinc binding function, the hydroxylamine-O-sulfonamide which was then used for the synthesis of other unsaturated glycoinhibitors by sulfonamidoglycosylation. These compounds showed nanomolar inhibitory activities against the CA IX and CA XII.

Small cell lung cancer (SCLC) is an extremely aggressive disease characterized by early metastasis and acquired resistance to therapy. SCLC is distinguished by its neuroendocrine (NE) component; the role of which is not fully understood in metastasis and response to therapy. Patients respond exceptionally well to first round chemotherapy; however, relapse with therapy-resistant tumours is virtually inevitable. Hypoxic regions within tumours can contribute towards metastasis and therapy resistance, highlighting hypoxia-targeted therapy as a novel approach for improving treatment for SCLC patients. Tumours are highly phenotypically heterogeneous, raising debate over the roles played by each cell type. Analysis of NE and epithelial markers in SCLC cell lines highlighted this inter-tumour heterogeneity. Further heterogeneity is displayed in SCLC xenograft tumours that show areas of dual epithelial and NE marker expression as well as regions negative for both markers. Irradiating xenograft tumours enhanced heterogeneity of the NE marker, pro-opiomelanocortin (POMC), which is ectopically secreted by a subset of SCLC tumours. Examining changes in marker expression post-therapy could provide vital information regarding transitions that can serve to guide therapy. SCLC is a highly metastatic disease. The role of the NE phenotype in human SCLC is not fully understood, but is considered essential for metastasis in murine models. Sub-cutaneous, intravenous and intra-splenic injection were carried out and resulted in no metastasis, spontaneous tumour generation and peripheral liver tumour growth, respectively. POMC expression was present and extremely heterogeneous within the liver, suggesting that NE properties are maintained in metastases; however, further work is necessary to develop a more consistent metastatic model that can be used to assess responses to therapy in a more clinically relevant setting. SCLC tumours proliferate rapidly and outgrow their nutrient and oxygen supplies, resulting in hypoxic conditions. Here, carbonic anhydrase IX (CA IX) becomes up-regulated in order to maintain pH levels suitable for survival. The specific CA IX inhibitor, S4, induces hypoxia-specific cell death in vitro and impairs tumour growth in vivo. This response is further accentuated by combining S4 with single or repeated cisplatin doses. Combination treatment reduced gene expression of S-phase kinase-associated protein (Skp2), associated with cisplatin resistance. CA IX inhibition combined with cisplatin chemotherapy therefore presents a novel treatment for SCLC tumours that could reduce therapy resistance. In summary, heterogeneity is extremely important when choosing treatment options for SCLC and must be considered when basing treatment on single biopsies. NE and epithelial markers are present within sub-cutaneous and liver tumours; however, a reliable multi-organ metastatic model is necessary to fully appreciate the role of these markers in the spread of SCLC. Hypoxic regions within sub-cutaneous xenograft tumours upregulate CA IX. Inhibition of this enzyme resulted in impaired tumour growth, particularly when used together with cisplatin. Combining CA IX inhibition with cisplatin presents a much-needed novel therapy for SCLC.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is an extremely deadly disease characterized by aggressive metastasis and therapeutic resistance. Reactive stroma in pancreatic tumors contributes to tumor signaling, fibrosis, inflammation, and hypoxia. Hypoxia signaling creates a more aggressive phenotype with increased potential for metastasis and decreased therapeutic efficacy. Carbonic anhydrase IX (CA9) functions as part of the cellular response to hypoxia by regulating intracellular pH to promote cell survival. Apurinic/Apyrimidinic Endonuclease-1-Reduction/oxidation Effector Factor 1 (APE1/Ref-1) is a multi-functional protein with two major activities: endonuclease activity in DNA base excision repair and a redox signaling activity that reduces oxidized transcription factors, enabling them to bind target sequences in DNA. APE1/Ref-1 is a central node in redox signaling, contributing to the activation of transcription factors involved in tumor survival, growth, and hypoxia signaling. This work evaluates the mechanisms underlying PDAC cell responses to hypoxia and APE1/Ref-1 redox signaling control of hypoxia inducible factor 1 alpha (HIF1a), a critical factor in hypoxia-induced CA9 transcription. We hypothesized that obstructing the HIF-CA9 axis at two points via APE1/Ref-1 inhibition and CA9 inhibition results in enhanced PDAC cell killing under hypoxic conditions. We found that HIF1a-mediated induction of CA9 is significantly attenuated following APE1/Ref-1 knock-down or redox signaling inhibition in patient-derived PDAC cells and pancreatic cancer-associated fibroblast cells. Additionally, dual-targeting of APE1/Ref-1 redox signaling activity and CA9 activity results in enhanced acidification and cytotoxicity of PDAC cells under hypoxic conditions as well as decreased tumor growth in an ex-vivo 3-dimensional tumor co-culture model. Further experiments characterized novel analogs of clinically relevant drugs targeting the key enzymes in this pathway, resulting in improved potency. These results underscore the notion that combination therapy is essential and demonstrate the potential clinical utility of blocking APE1/Ref-1 and CA9 function for novel PDAC therapeutic treatment.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20614号 / 医博第4263号 / 新制||医||1023(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 高田 穣, 教授 平井 豊博, 教授 岩井 一宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Malgré les programmes de dépistage mis en place et le vaste arsenal thérapeutique disponible, 8,2 millions de décès dans le monde ont été attribués au cancer pour l'année 2012 (données Globocan 2012, OMS). L'immunothérapie antitumorale est en plein essor et consiste notamment à exploiter le système immunitaire de l'hôte pour obtenir une réponse contre la tumeur. L'utilisation de vecteurs bactériens, capables de délivrer un message antigénique et de stimuler de manière concomittante l'immunité innée, fait partie des approches de vaccination antitumorale prometteuses. Parmi ces vecteurs, une bactérie Pseudomonas aeruginosa mise au point par notre laboratoire présente l'intérêt de pouvoir injecter in vivo des antigènes de tumeur, via son système de sécrétion de type III (SST3), directement dans le compartiment intracellulaire des cellules présentatrices d'antigènes. La voie de présentation du CMH I est ainsi favorisée et permet la génération d'une réponse des lymphocytes T cytotoxiques vis-à-vis de la tumeur exprimant l'antigène. Cependant, la poursuite des études précliniques et cliniques paraît délicate, en raison du risque infectieux lié à une bactérie pathogène, quand bien même atténuée. Lors de ce travail, nous avons donc développé une nouvelle souche de P. aeruginosa Killed But Metabolically Active (KBMA), incapable de se répliquer, mais toujours apte à jouer son rôle de vecteur. Une analyse de la réponse immune antitumorale, suite à l'immunisation par différents vecteurs, a permis de mettre en évidence une forte infiltration de la tumeur par des lymphocytes T CD8+ spécifiques de l'antigène, mais également une protection à long terme liée à la présence d'un pool majoritaire de lymphocytes T CD8+ spécifiques effecteurs mémoires. Enfin nous avons cherché à appliquer cette technologie à l'antigène de tumeur anhydrase carbonique 9 (AC9), exprimé par de nombreuses tumeurs solides chez l'homme. / Despite cancer screening programs and the available therapeutic armamentarium, 8.2 million deaths worldwide were due to cancer in 2012 (data Globocan 2012, WHO). The antitumor immunotherapy is booming and aims at using the immune system of the host as a response against the tumor. The use of bacterial vectors, able to deliver an antigenic message and concomitantly stimulate innate immunity, is one of the most promising approaches to antitumor vaccination. Among these vectors, the bacterium Pseudomonas aeruginosa developed by our laboratory has the advantage of being able to inject in vivo tumor antigens via its type III secretion system (T3SS) directly in the intracellular compartment of antigen-presenting cells. The MHC I presentation pathway is thus favored and allows the generation of a cytotoxic T lymphocytes response against antigen-expressing tumors. However, further preclinical and clinical studies remain difficult, because of the risk of infection related to a bacterial pathogen, even if attenuated. In this work, we have developed a new strain of P. aeruginosa Killed But Metabolically Active (KBMA) unable to replicate, but still able to play its role as a vector. An analysis of the antitumor immune response following immunization with different vectors, allowed to demonstrate a strong tumor infiltration by antigen-specific CD8+ T lymphocytes, but also a long-term protection related to the presence of a major pool of antigen-specific effector memory CD8+ T cells. Finally we are seeking to apply this technology to the tumor antigen carbonic anhydrase 9 (CA9), expressed by many solid tumors in humans.