The significantly increased copper and oxidative stress levels are characteristic hallmarks of cancer cells. These differences provide a unique opportunity for selective targeting of cancer cells. D-penicillamine (D-pen) has been proposed to generate reactive oxygen species (ROS) in presence of copper. Therefore, these studies were aimed at investigating the potential application of a currently marketed copper chelator, D-pen, as a novel cytotoxic anti-cancer agent. D-pen was shown to produce ROS, specifically hydrogen peroxide (H2O2), in the presence of cupric sulfate through a copper catalyzed oxidation reaction. During this process D-pen was converted to D-pen disulfide. The experimental proof of the H2O2 generation was conclusively shown with the aid of a novel High Performance Liquid Chromatography (HPLC) assay. The in-vitro cytotoxicity of D-pen co-incubated with cupric sulfate was examined in human beast cancer (MCF-7 and BT474) and leukemia cells (HL-60, HL-60/VCR, and HL-60/ADR). D-pen was shown to cause concentration dependent cytotoxicity in both leukemia and breast cancer cells. A direct correlation between the detection of intracellular ROS and cytotoxicity was established. The treatment of D-pen plus cupric sulfate resulted in a significant reduction in the intracellular thiol content. D-pen is highly hydrophilic and is rapidly eliminated from the body; therefore to improve the intracellular uptake and to protect the thiol group of D-pen, we carried out the synthesis and the in-vitro characterization of a novel gelatin-D-pen conjugate. It was shown that D-pen alone does not enter cells. Confocal microscopy was employed to exhibit the uptake of the novel gelatin-D-pen conjugate by cancer cells. As the cancer cells in-vitro do not accumulate the same levels of copper as reported for cancer cells in-vivo, cancer cells were pre-treated with cupric sulfate to simulate the elevated copper levels. The cupric sulfate pretreatment resulted in reduced thiol level and significantly increased cellular copper content compared to untreated cells. Whereas both free D-pen and gelatin-D-pen conjugate lacked cytotoxicity in un-treated cells, both agents caused concentration dependent cytotoxicity in cupric sulfate pre-treated leukemia cells. Therefore, it was shown that the administration of D-pen as polymer conjugate would potentially provide cytotoxicity and specificity in the treatment of cancer.

Les radiations ionisantes sont une cause établie de cancers de la thyroïde mais un nombre croissant de travaux évoque aussi le rôle potentiel du peroxyde d’hydrogène (H2O2) dans la pathogenèse des cancers thyroïdiens spontanés. Si les cassures double-brin de l’ADN (DSBs) sont considérées comme l’une des causes primaires de cancer, leur induction par l’H2O2 était plus controversée.<p><p>Lors de ce travail, nous avons voulu tester in vitro, dans différents modèles thyroïdiens, l’hypothèse selon laquelle l’H2O2 produit en grandes quantités in vivo pour oxyder l’iodure et synthétiser les hormones thyroïdiennes pouvait endommager l’ADN. <p>Les dégâts provoqués à l’ADN ont été évalués par le test des comètes (en milieu alcalin pour les cassures simple-brin (SSBs) et en milieu neutre pour les cassures double-brin de l’ADN) et quantitativement comparés à ceux produits par l’irradiation.<p>Nous avons montré dans une lignée cellulaire thyroïdienne de rat (PCCl3) que des concentrations non létales d’H2O2 (0.1 – 0.5 mM) tout comme l’irradiation (1 - 10 Gy) provoquaient une augmentation dépendante de la dose du nombre de SSBs et de DSBs. <p>L'induction de DSBs a été confirmée par la mesure du taux de phosphorylation de l’histone H2AX sur Sérine 139. L’induction de DSBs par l’H2O2 a également été observée dans des cultures primaires de thyroïdes humaines et dans des tranches de thyroïde de porcs.<p>L’utilisation de L-buthionine-sulfoximine (BSO), un agent qui empêche le renouvellement du glutathion cellulaire, a conduit à un abaissement du seuil d’observation des cassures de l’ADN induites par l’H2O2. <p>Nous avons également observé que les dommages de l’ADN étaient réparés plus lentement lorsqu’ils étaient provoqués par l’H2O2 plutôt que par l’irradiation. <p><p>Dans un second temps, nous avons exploré au niveau moléculaire les conséquences d’une exposition à 1 Gy d’irradiation γ ou à une concentration non létale d’H2O2 (0.05 – 0.2 mM) dans des cultures primaires de thyroïdes humaines et dans des lymphocytes T issus d’un même donneur. Nous avons étudié par micro-arrays les modifications du profil d’expression génétique de ces 2 types cellulaires afin de caractériser la spécificité de la réponse transcriptionnelle en fonction de la nature de l’agression, du type et de l’importance du dommage engendré ainsi que du type cellulaire.<p>Les 2 types cellulaires répondent de manière similaire à l’irradiation en termes de nombre de gènes régulés, avec un large recouvrement de réponses transcriptionnelles caractérisées par une forte sur-représentation de gènes impliqués dans l’apoptose et dans la réparation des dommages de l’ADN.<p>En revanche, la réponse transcriptionnelle à l’H2O2 est différente dans les 2 types cellulaires.<p>D’une part, les lymphocytes T qui montrent un dommage à l’ADN pour de plus faibles concentrations d’H2O2 que les thyrocytes présentent une réponse transcriptionnelle 1000 fois supérieure à celle observée dans les thyrocytes. D’autre part, les quelques gènes régulés dans les thyrocytes ne le sont pas dans les lymphocytes T. Il s’agit de gènes impliqués dans la défense contre les espèces réactives de l’oxygène (ROS). Ces résultats suggèrent l’existence de mécanismes de protection anti-oxydante spécifiquement développés dans les cellules thyroïdiennes.<p><p>En conclusion, ce travail a montré que l’H2O2, à des concentrations non létales, provoque des SSBs mais également des DSBs dans différents modèles thyroïdiens in vitro. La quantité de DSBs produite par l’H2O2 est comparable à celle observée après irradiation mais la vitesse de leur réparation est plus lente. D’autre part, en comparaison avec les lymphocytes T, les thyrocytes semblent particulièrement résistants aux effets de l’H2O2 et dotés de mécanismes de protection particulièrement performants et probablement partiellement inductibles contre les ROS.<p>Ces données soutiennent notre hypothèse de départ selon laquelle la production d’H2O2 dans la thyroïde pourrait jouer un rôle dans l’étiopathogénie des tumeurs thyroïdiennes, en particulier en cas de défenses anti-oxydantes altérées.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished