Les syndromes myélodysplasiques (SMD) sont un ensemble d’hémopathies clonales de la cellule souche. Ils touchent les sujets âgés et se caractérisent par une hématopoïèse inefficace, une différenciation anormale et une transformation fréquente en leucémie aiguë myéloblastique (LAM). La prise en charge thérapeutique a considérablement évolué ces dix dernières années, principalement avec l’arrivée de la 5-azacytidine (Aza) dans les SMD de haut risque. Malheureusement, il existe fréquemment un échec ou une perte de réponse rapide au traitement responsable d’une survie médiane globale de seulement quelques mois. La compréhension des mécanismes d’action des agents hypométhylants, la mise en évidence des facteurs biologiques impliqués dans la résistance à l’Aza ou encore l’identification de nouvelles associations de molécules constitue donc un enjeu majeur. Plusieurs équipes, dont la nôtre, ont démontré que l’erlotinib (Erlo) (inhibiteur de l’activité kinase de l’EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor)) possède des effets antinéoplasiques dans les SMD/LAM. Compte tenu de sa toxicité modérée, cet inhibiteur de tyrosine kinase est actuellement en essai clinique en France et aux États-Unis dans les SMD en échec d’Aza. Dans ce travail, nous avons tenté de comprendre les mécanismes d’action impliqués dans l’activité de l’Aza et de l’Erlo seuls ou en association. Nous avons observé que l’Aza et la décitabine (un autre agent hypométhylant) induisent la déphosphorylation et la translocation dans le noyau du facteur de transcription FOXO3A où il réactive l’expression de gènes cibles tels que les facteurs pro apoptotiques PUMA et BIM. Cet effet observé rapidement, suggère un effet « off target » non lié à une reprogrammation épigénétique. La phosphorylation constitutive de FOXO3A étant considérée comme un facteur de mauvais pronostic dans les LAM, cette observation soulève l’intérêt potentiel des agents hypométhylants dans cette pathologie. Nous avons également identifié deux nouvelles cibles de l’Erlo : les SRC-kinases et la voie mTOR/p70S6K dont l’inhibition par des inhibiteurs biochimiques induit un arrêt du cycle cellulaire en G0/G1 sans apoptose ni différenciation confirmant l’hypothèse d’une action « multikinase » de l’Erlo. Par ailleurs, nous avons mis en évidence une activité synergique sur l’apoptose de l’association Aza et Erlo sur des lignées cellulaires de SMD/LAM et sur des cellules de patients. Cet effet n’a pas été retrouvé avec la décitabine ni les autres inhibiteurs de tyrosine kinase testés. La potentialisation de l’apoptose semble liée à plusieurs mécanismes associant l’augmentation de la concentration intracellulaire d’Aza via l’inhibition des transporteurs ABC, un arrêt de la prolifération, une activation des voies apoptotiques caspases-dépendantes et indépendantes et une activation des dommages à l’ADN. En conclusion, ce travail a permis l’identification de nouvelles cibles de l’Erlo et de l’AZA et a révélé un effet synergique entre ces deux molécules. Ces résultats précliniques encourageants suggèrent que cette association pourrait apporter un potentiel bénéfice chez les patients atteints de SMD/LAM, notamment ceux devenus réfractaires à l’Aza. / Myelodysplasic syndromes (MDS) constitute a diverse group of malignant clonal disorders that typically occur in elderly people. MDS are characterized by ineffective hematopoiesis, refractory cytopenias, morphologic dysplasia and increased potential to transform into acute myeloid leukemia (AML). Treatment of MDS has progressed considerably in recent years with the emergence of new approval agents such as azacytidine (aza)(a hypomethylating agent (HMA)) in higher-risk MDS. However, there are still a significant proportion of patients who do not respond to therapy with aza. Therefore, understanding the mechanisms of action of HMAs, identifying predictive factors for aza resistance and combining HMAs with other active compounds in MDS represent a challenging area to improve MDS/AML treatment. Previous works showed that erlotinib (an inhibitor of the epidermal growth factor receptor (EGFR)) exhibits antineoplastic effects in MDS/AML. Due to its limited toxicity profile, this tyrosine kinase inhibitor is currently being evaluated after failure of aza in two clinical trials. In this project, we aimed at understanding the molecular mechanisms involved in the activity of aza and erlo alone or in combination. We observed that aza and decitabine (another HMA related to aza) induces dephosphorylation and translocation to nucleus of the transcriptional regulator FOXO3A promoting the upregulation of the pro-apoptotic factors PUMA and BIM. This effect could be an “off target” effect and could contribute the bebenfical role of HMA in AML as constitutive phosphorylation of FOXO3A has been shown to be an adverse prognostic factor. We discovered new target for erlo, Src-kinase kinases and mTOR that are implicated in the cell-cycle arrest but not in the induction of apoptosis or differentiation confirming the “multikinase” activity of erlo. We found that the combination of aza and erlo demonstrated synergistic induction of apoptosis in MDS/AML cell lines and in some patient cells. This effect was not observed with decitabine or other tyrosine kinase inhibitors frequently used in onco-hematology. We demonstrated that potentiation of cell death is associated with different mechanisms such as intracellular accumulation of aza (via inhibition of ABC transporters), cell cycle arrest with inhibition of leukemic cells growth, caspase-dependent and -independent induction of apoptosis and DNA damage level. In conclusion, this work identified new targets of aza and erlo and revealed a synergistic induction of apoptosis upon co-treatment suggesting that this drug combination might be promising for SMD/AML treatment SMD/AML, especially the resistant patients.

Ces travaux de thèse ont porté sur le développement de formulations innovantes et nanoparticulaire, destinées à améliorer la prise en charge des patients atteints de leucémie aigüe myéloïdes (LAM). Cette amélioration de la qualité de vie peut passer par le développement d’une formulation orale de décitabine.Trois stratégies de formulations différentes ont été développées : deux formulations de nanocapsules lipides (LNCs) avec encapsulation ou de décitabine, ou d’une prodrogue de décitabine (décitabine(C12)2) . La troisième stratégie a été le développement de particules de type liposomal, dans lesquelles la décitabine a été encapsulée. Après avoir été caractérisée sur des critères physicochimiques, chacune des stratégies basées sur les LNCs a été évaluée par des essais in vitro pour évaluer la perméabilité intestinale de la décitabine lorsqu’elle a été encapsulée. Une des stratégies a permis d’accroitre la perméabilité, in vitro, de la décitabine. L’activité sur la prolifération cellulaire a ensuite été évaluée sur des cellules humaines de LAM. Il a été démontré que l’encapsulation dans les LNCs améliore l’activité de la décitabine et de la décitabine (C12)2. Après l’ensemble de ces essais, en vue d’évaluer le potentiel avantages de ces formulations pour augmenter la demi-vie plasmatique de la décitabine, leurs stabilités dans du plasma humain a été évaluée. La décitabine (C12)2 libre et encapsulée permettent de limiter la dégradation rapide de la décitabine. Finalement, une étude de pharmacocinétique a été mise en place. L’encapsulation de la décitabine, en synthétisant au préalable une prodrogue permet d’augmenter les concentrations maximales atteintes. / The aim of this phD work was to develop nanoparticle formulations to improve patients’quality of life in case of acute myeloid leukemia (AML). These formulations could, for example, allow an oral administration of decitabine. Three different formulations were developed: two were based on lipid nanocapsules (LNCs) with an encapsulation of decitabine or a decitabine prodrug (decitabine(C12)2). The third strategy was aliposomal formulation with a decitabine encapsulation. After being characterized on physico-chemical parameters, in vitro intestinal permeability studies were performed on LNCs strategies. One strategy was able to enhance decitabine permeability. Cell proliferation studies performed on human AMLcell lines showed that encapsulations into LNCs improve decitabine and decitabine(C12)2 activities. In order to evaluate the potential of these formulations to enhance decitabine plasma half-life, their stabilities in human plasma were then assayed. Free decitabine(C12)2 or encapsulated into LNCs has been shown to limit the rapid decitabine degradation. Finally, pharmacokinetic studies were performed. Decitabine encapsulation into LNCs with a previous decitabine prodrug synthesis was able to increase maximal plasma concentrations.

Stimuler le système immunitaire est un enjeu majeur dans le traitement des leucémies aigües. Nous avons centré notre étude sur la leucémie aigüe myéloïde (LAM) et la leucémie à cellules dendritiques plasmacytoïdes (LAPDC). Dans une première partie, nous avons étudié les médicaments immunomodulateurs (IMiDs) utilisés dans le traitement du myélome multiple et des syndromes myélodysplasiques à délétion 5q. Les IMiDs présentent des propriétés anti-angiogéniques, anti-prolifératives, pro-apoptotiques, et immunomodulatrices en particulier sur les cellules NK (Natural Killer). Nous avons évalué les effets anti-leucémiques des IMiDs (lenalidomide et pomalidomide) dans le but d’améliorer l’activité cytotoxique des NK dans la LAM. Nous avons mis en évidence une altération de la survie des blastes de LAM par les IMiDs in vitro, et dans un modèle in vivo de greffe dans les souris immunodéficientes NOD/SCID/IL2rg-/- (NSG). Nous avons également montré une sensibilisation par les IMiDs des blastes de LAM à la lyse par les NK allogéniques, indépendamment de la cible moléculaire connue, le cereblon. Le traitement des blastes de LAM par IMiDs stimule les fonctions NK. Enfin, nous avons décrit des modifications phénotypiques induites par les IMiDs sur les récepteurs NK, et une diminution d’expression de HLA-classe I sur les cellules de LAM. Ces résultats encouragent la poursuite du développement des IMiDs dans la LAM, en particulier les associations stimulant les fonctions NK. Dans une seconde partie, nous avons développé un modèle murin de LAPDC dans la souris NSG. Cet outil préclinique est indispensable dans l’élaboration de stratégies d’immunothérapie dans les leucémies aigües. / Boosting the Immune System is a major challenge in the treatment of acute leukemias. We focused our study on acute myeloid leukemia (AML) and plasmacytoid dendritic cell leukemia (BPDCN). In the first part, we studied immunomodulatory drugs (IMiDs) that are currently used in the treatment of patients with myeloma and myelodysplastic syndrome with 5q deletion. IMiDs exhibit anti-angiogenesis, anti-proliferative, pro-apoptotic, and immunomodulatory properties especially on NK cells and T lymphocytes. We investigated the anti-leukemic effects of two IMiDs (lenalidomide and pomalidomide) in order to improve NK cell cytotoxic activity in AML. We have shown that IMiDs impaired survival of AML blasts in vitro, and in vivo in NOD/SCID/IL2rg-/- (NSG) murine model. In addition, IMiDs treatment sensitized AML blasts to allogeneic NK cell mediated lysis, independently of Cereblon, the known molecular target of IMiDs. IMiDs treatment of AML blasts enhanced NK cell functions such as degranulation and cytokine production. Finally, we have described phenotypic changes induced by IMiDs on NK receptors, and a down-regulation of HLA-class I on AML blasts. These results encourage continuing investigation for the use of IMiDs in AML, especially in combination with immunotherapies based on NK cells. In a second part, we have developed a murine model of plasmacytoid dendritic cell leukemia (BPDCN) in NSG mice. Murine model of leukemia are essential preclinical tools in the development of new immunotherapies in acute leukemias.

Les kinases de la famille Pim sont impliquées dans de nombreux cancers hématologiques dont la leucémie aigüe myéloïde (LAM) et le myélome multiple. Contrairement à la plupart des autres protéines kinases dont l’activation nécessite la phosphorylation préalable du domaine catalytique, l’activité des Pim kinases est constitutive. Les mécanismes de régulation de l’expression de Pim2 ainsi que ses mécanismes d’action sont très peu connus. Une partie de mon projet a consisté en l’étude de l’expression et de la stabilité de Pim dans des cellules de LAM et de myélome. J’ai montré que l’expression de Pim2 est régulée au niveau transcriptionnel par STAT5. Les trois isoformes de Pim2 ont une demi-vie très courte. Leur rapide dégradation semble constitutive et indépendante des relais de signalisation intracellulaire. Elle implique la machinerie du protéasome mais ne semble pas nécessiter l’ubiquitination préalable de la protéine. Les formes de Pim2 qui s’accumulent dans les cellules sous l’action des inhibiteurs du protéasome sont constitutivement actives. Ces premières données m’ont conduit à envisager l’intérêt d’inhibiteurs de Pim dans le myélome multiple, où l’inhibition du protéasome comme traitement favorise l’accumulation de cette kinase oncogénique. La seconde partie de mon projet a consisté en l’identification de substrats et de partenaires potentiels de Pim2 dans les LAM. Pour cela, j’ai mis au point une méthode de marquage métabolique couplée à une analyse phosphoprotéomique quantitative globale, ainsi qu’une analyse de l’interactome de Pim2 après avoir produit un anticorps contre cette protéine. Les informations obtenues m’ont permis de montrer l’activation de la voie mTORC1 par Pim2 et d’identifier la Polo-Like Kinase (PLK1) comme un nouveau substrat et partenaire de Pim2. Mes résultats montrent une colocalisation de Pim2 et de PLK1 au cours des différentes phases de la mitose et en particulier au niveau du corps intermédiaire lors de la séparation des cellules filles. / The kinases of Pim family are implicated in many haematological cancers, whose Acute Myeloid Leukemia (AML) and multiple myeloma. Contrary of the most others proteins kinases which needs activation by the preliminary phosphorylation of catalytic domain, the activity of Pim kinases is constitutive. The regulation of Pim2 expression and its mechanisms of action are not well-known. One part of my project consisted in the study of the expression and stability of Pim2 in AML and myeloma cells. I have shown that the expression of Pim2 is regulated at transcriptional level by STAT5. The three isoforms of Pim2 have very short half-lives. Theirs fast degradations seem to be constitutive and independent of intracellular pathway. It involves the proteasome machinery but not seems to need the preliminary ubiquitination of the protein. Forms of Pim2 accumulated in the cells when the proteasome is inhibited are actives. These firsts data drove me to think about the interest of Pim inhibitor in multiple myeloma, where the using of proteasome inhibitor as treatment increase the accumulation of this oncogenic kinase. The second part of my project was to identify the potentials substrates and partners of Pim2 in AML. In this aim, I developed a method of metabolic labelling coupled with a global quantitative phosphoproteomic approach, as well as a specific antibody targeted against this protein to realize an interactome analysis of Pim2. The informations obtained allowed me to show the activation of mTORC1 pathway by Pim2 and to identify the Polo-Like Kinase (PLK1) as a new substrate and partner of Pim2. My results show that Pim2 and PLK1 are colocalized during the differents mitotic phases, particularly at the midbody level during the separation of cell.