Regensburg, Univ., Diss., 2009.

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées, reposant sur l’action conjuguée d’un photosensibilisateur (PS), de la lumière et de l’oxygène. Dans le cadre d’un nouveau mode de PDT, la VTP (vascular targeted photodynamic therapy), notre stratégie a consisté à favoriser l’effet anti-vasculaire du traitement par ciblage de la néo-vascularisation tumorale. Pour cela, nous avons étudié in vitro et in vivo un PS de type chlorine (TPC) couplé, via le bras espaceur (Ahx), à un heptapeptide (ATWLPPR) spécifique d’un co-récepteur du VEGF, la neuropiline-1 (NRP-1). Une étude comparative de la TPC versus le PS conjugué (TPC-Ahx-ATWLPPR), a permis de mettre en évidence in vitro, grâce à une technique d’ARN interférence visant à éteindre l’expression de NRP-1, une incorporation cellulaire récepteur-dépendante du conjugué. In vivo, l’accumulation préférentielle de la TPC-Ahx-ATWLPPR au niveau de l’endothélium vasculaire de la tumeur ainsi que son effet anti-vasculaire après PDT ont été mises en évidence. Une étude de stabilité in vitro et in vivo du conjugué a été réalisée. In vivo, la séquence peptidique est dégradée 4 h après injection par voie intra-veineuse. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution tissulaire de la TPC-Ahx-ATWLPPR et de son principal produit de dégradation, TPC-Ahx-A ont été réalisées chez la souris nude xénogreffée. La dégradation de la partie peptidique est majoritaire dans les organes du système réticulo-endothélial où l’accumulation du conjugué est la plus importante. Dans le but d’augmenter la stabilité in vivo du peptide adresseur, de nouveaux peptides ont été synthétisés, puis couplés à la TPC et testés. Le pseudopeptide A?[CH2NH]TWLPPR est prometteur car il reste affin vis-à-vis de NRP-1 et après couplage au PS, il ne subit aucune dégradation dans le 8plasma in vivo 4 h après injection par voie intra-veineuse. / Photodynamic therapy (PDT) is a treatment modality against small localized tumors, based on the combined action of a photosensitizer (PS), light and oxygen. A new method of PDT, the VTP (vascular targeted photodynamic therapy) was studied. The purpose of our strategy is to promote the anti-vascular effect of PDT by targeting the tumor vasculature. We studied the behaviour of the tetraphenylchlorine (TPC) conjugated, via the Ahx spacer, to a VEGF co-receptor (neuropilin-1) specific heptapeptide (ATWLPPR), in vitro and in vivo. A comparative study of TPC versus the conjugated PS, TPC-Ahx-ATWLPPR, allowed us to identify in vitro, using a technique of RNA interference-mediated silencing of NRP-1, a receptor-dependent uptake of the conjugate. In vivo, a preferential accumulation of TPC-Ahx-ATWLPPR in endothelial cells and its anti-vascular effect were demonstrated. A study of stability in vitro and in vivo of the conjugate was conducted. In vivo, the peptide sequence was degraded 4 h after intra-venous injection. Pharmacokinetics and tissue biodistribution studies of TPC-Ahx-ATWLPPR and its main degradation product, TPC-Ahx-A, was performed in bearing nude mice. The degradation process of the peptide is important in the organs of the reticulo-endothelial system, where the accumulation of the conjugate is majority. In order to improve in vivo stability of the targeting-peptide, new peptides were design and tested. The pseudopeptide A?[CH2NH] TWLPPR bound NRP-1, and after coupling with the PS, no degradation is observed in plasma in vivo 4 h after intra-venous injection.

La compréhension récente des mécanismes impliqués dans l’échappement tumoral au système immunitaire est fondamentale. En effet, cela a permis le développement de nouvelles immunothérapies à l’origine de réponses prolongées chez les patients atteints par plusieurs types de cancers. Cependant, une majorité de patients répondent insuffisamment ou rechutent. Il est donc indispensable d’identifier les mécanismes de résistances aux immunothérapies, et de nouvelles cibles permettant d’augmenter l’activité de ces thérapeutiques.La Neuropiline-1 (Nrp1) est une glycoprotéine transmembranaire indispensable à de nombreux processus physiologiques tels que l’angiogénèse et la guidance axonale. Nous avons montré dans le laboratoire qu’elle était exprimée dans le système immunitaire, lors de la synapse immunologique puis sur les cellules T conventionnelles activées.L’objectif de ce travail était d’étudier le rôle de la Nrp1 dans la réponse anti tumorale des lymphocytes T CD8+ chez la souris et chez l’homme.Nous avons montré que la délétion de Nrp1 sur les cellules T CD8+ murines augmente la réponse anti tumorale et diminue la croissance tumorale. Les cellules T CD8+ murines délétées pour la Nrp1 ont des capacités effectrices augmentées. La Nrp1 ne pouvant pas signaliser de manière autonome, nous avons montré qu’elle forme un complexe avec PD-1 chez la souris et chez l’homme et qu’elle en module son activité. Enfin, nous avons observé un effet synergique entre l’inhibition de Nrp1 et de PD1 chez la souris, ouvrant la possibilité d’une efficacité clinique chez les patients. / T follicular helper (Tfh) cells play an essential role in the development of antigen-specific B cell immunity. Tfh cells regulate the differentiation and survival of activated B cells outside and inside germinal centers (GC) of secondary lymphoid organs. They act through cognate contacts with antigen-presenting B cells, but there is no current marker to specifically identify those Tfh cells which productively interact with B cells. Here we show that neuropilin 1 (Nrp1), a cell surface receptor, is selectively expressed by a subset of Tfh cells in human secondary lymphoid organs. Nrp1 expression on Tfh cells correlates with B cell differentiation in vivo and in vitro, is transient, and can be induced upon co-culture with autologous memory B cells in a cell contact-dependent manner. Comparative analysis of ex vivo Nrp1+ and Nrp1- Tfh cells reveals gene expression modulation during activation. Finally, Nrp1 is expressed by malignant Tfh-like cells in a severe case of angioimmunoblastic T-cell lymphoma (AITL) associated with elevated terminal B cell differentiation. Thus, Nrp1 is a specific marker of Tfh cells cognate activation in humans, which may prove useful as a prognostic factor and a therapeutic target in neoplastic diseases associated with Tfh cells activity.

Le domaine transmembranaire des récepteurs membranaires est aujourd’hui considéré comme essentiel dans l’activation et la régulation des voies de signalisation sous-jacentes. Ceci est tout particulièrement le cas pour neuropiline-1 et -2 (NRP1/2), et ErbB2, trois récepteurs impliqués dans la croissance tumorale. Notre laboratoire a initialement démontré qu’un peptide ciblant le domaine transmembrane du récepteur NRP1, bloque l’oligomérisation de ce récepteur et provoque ainsi l’inhibition de la prolifération/migration des cellules tumorales et l’angiogenèse in vivo. L’objectif principal de ce travail de thèse était d’élargir cette stratégie aux récepteurs membranaires NRP2 et ErbB2, et ce, dans le contexte du cancer du sein. Mes travaux montrent que ces peptides inhibent la pousse tumorale et les métastases associées dans différents modèles de cancer du sein. Les effets anti-tumoraux peuvent s’expliquer par les propriétés anti-angiogéniques et anti-prolifératives des peptides démontrées in vitro et in vivo. J’ai également disséqué le mécanisme d’action du peptide ErbB2 et montré que le peptide inhibiteur de NRP2 induit des effets secondaires rédhibitoires (promotion des métastases osseuses). Dans l’ensemble, mes recherches valident le potentiel thérapeutique de cette stratégie peptidique et renforce l’idée d’un développement clinique de ces composés. D’une terre inconnue à une terre d’espoir, le cœur de la membrane est incontestablement une nouvelle source d’inspiration pour le développement des médicaments de demain. / The role of transmembrane domains (TMD) in membrane receptor activation and regulation is nowadays appearing as a key step of cell signaling. This has been indeed evaluated for neuropilin-1 and -2 (NRP1/2) and ErbB2 receptors, three membrane receptors whose signaling has clearly been implicated in tumorigenesis. Our team had demonstrated that a synthetic peptide blocking the transmembrane domain of NRP1 blocked NRP1-dependent signaling leading to the inhibition of glioma cell proliferation/migration and tumor associated angiogenesis in vivo. The major goal of this thesis project was to extend this novel strategy to NRP2 and ErbB2 in the breast cancer context. Thus, I was able to demonstrate for the first time that the use of peptides, inhibiting the TMD of these receptors, was able to inhibit tumor growth and related metastases in vivo, in three different breast cancer mouse models that I have developed in the laboratory. These results were supported by in vitro experiments demonstrating anti-proliferative and anti-angiogenic properties of these peptides. Besides, I was able to dissect the mechanism of action of the peptide targeting ErbB2 receptor in vitro and in vivo, and I provided data excluding NRP2 as a target because of an unexpected promotion of bone metastasis. Altogether, my data offer convincing evidences to further develop MTP-ErbB2 and MTP-NRP1 peptides as novel therapeutic compounds for patients suffering metastatic cancers. From terra incognita to the exploration of a world of hope, the heart of the membrane is becoming a new promising estate for drug design.

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

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées, reposant sur l'action conjuguée d'un photosensibilisateur (PS), de la lumière et de l'oxygène. Dans le cadre d'un nouveau mode de PDT, la VTP (vascular targeted photodynamic therapy), notre stratégie a consisté à favoriser l'effet anti-vasculaire du traitement par ciblage de la néo-vascularisation tumorale. Pour cela, nous avons étudié in vitro et in vivo un PS de type chlorine (TPC) couplé, via le bras espaceur (Ahx), à un heptapeptide (ATWLPPR) spécifique d'un corécepteur du VEGF, la neuropiline-1 (NRP-1). Une étude comparative de la TPC versus le PS conjugué (TPC-Ahx-ATWLPPR), a permis de mettre en évidence in vitro, grâce à une technique d'ARN interférence visant à éteindre l'expression de NRP-1, une incorporation cellulaire récepteur dépendante du conjugué. In vivo, l'accumulation préférentielle de la TPC-Ahx-ATWLPPR au niveau de l'endothélium vasculaire de la tumeur ainsi que son effet anti-vasculaire après PDT ont été mises en évidence. Une étude de stabilité in vitro et in vivo du conjugué a été réalisée. In vivo, la séquence peptidique est dégradée 4 h après injection par voie intra-veineuse. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution tissulaire de la TPC-Ahx-ATWLPPR et de son principal produit de dégradation, TPC-Ahx-A ont été réalisées chez la souris nude xénogreffée. La dégradation de la partie peptidique est majoritaire dans les organes du système réticulo-endothélial où l'accumulation du conjugué est la plus importante. Dans le but d'augmenter la stabilité in vivo du peptide adresseur, de nouveaux peptides ont été synthétisés, puis couplés à la TPC et testés. Le pseudopeptide Aψ[CH2NH]TWLPPR est prometteur car il reste affin vis-à-vis de NRP-1 et après couplage au PS, il ne subit aucune dégradation dans le 8plasma in vivo 4 h après injection par voie intra-veineuse.

Au cours de la réponse immunitaire, comme au cours de la sélection thymique, les interactions cellulaires sont dépendantes de la formation d'un contact étroit entre cellules caractérisé par une synapse. De nombreuses molécules associées aux synapses neurologiques ou neuro-musculaires se sont également exprimées au niveau des cellules immunitaires et impliquées dans la régulation des contacts. Nous avons donc recherché la présence d'autres récepteurs neurologiques au niveau des cellules immunitaires. La neuropilin-1 (Np-1), responsable de la régulation de l'orientation et des contacts des neurones, a été mise en évidence à la fois sur les cellules dendritiques (DC) et les lymphocytes T (LT). De même, la sémaphorin-3A (Sema-3A), un de ces principaux ligands, est exprimée et sécrétée au niveau de ces cellules. La Np-1 est impliquée dans la formation des contacts entre les LT-DC et Thymocytes-cellules épithéliales thymiques. Sa régulation est dépendante de l'activation T médiée par le TcR et/ou par l'interleukine-7 concernant les thymocytes. La production et la sécrétion de la Sema-3A, est exclusivement dépendante de la stimulation du TcR. La Sema-3A interfère avec la prolifération des LT via l'inhibition de la polymérisation de l'actine ce qui empêche la polarisation du TcR au site du contact cellulaire. Le blocage de la Sema-3A, par des anticorps neutralisants provoque une augmentation de la prolifération T. La Sema-3A joue également un rôle au niveau de l'adhésion des thymocytes en bloquant la capacité d'adhésion de ces derniers aux molécules de la matrice extracellulaire (laminine et fibronectine). De plus, la Sema-3A induit la chemorépulsion des thymocytes Np-1 positifs.

La neuropiline-1 (Nrp-1) est une protéine transmembranaire agissant comme récepteur des sémaphorines de classe 3 (Sema3) et du facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF). En plus de son rôle crucial dans le développement des systèmes nerveux et cardiovasculaires, Nrp-1 est impliquée dans des processus physiopathologiques impliquant certains de ses ligands classiques (Sema3 et VEGF) ou récemment caractérisés (TGF-β1 et PDGF) dans les tissus adultes. Dans le système immunitaire, Nrp-1 participe aux interactions entre les lymphocytes T et les cellules dendritiques, transmet les effets immunorégulateurs de Sema3A sur les lymphocytes T, et est impliqué dans le mécanisme suppresseur des lymphocytes T régulateurs (Treg) Foxp3+. Cependant, l'expression de Nrp-1 dans les lymphocytes T non-Treg humains et murins n'a été que peu étudiée. L'objectif de ce projet était de caractériser les populations de lymphocytes T Nrp-1+ non-Treg chez la souris, d'analyser leurs fonctions, d'identifier les mécanismes conduisant à l'expression de Nrp-1 dans ces cellules, et de comprendre le rôle joué par Nrp-1 dans les réponses immunitaires T. Mon travail s'est d'une part intéressé à une population de lymphocytes T non-conventionnels appelés lymphocytes « invariant natural killer T » (iNKT). Les lymphocytes iNKT sont des lymphocytes Tαβ dérivés du thymus aux propriétés immunomodulatrices reposant sur la sécrétion rapide de cytokines TH1 et TH2 après engagement de leur TCR semi-invariant par des complexes CD1d/glycolipide. Un sous-type distinct de cellules iNKT, dont l'origine et l'homéostasie sont encore mal connues, produit la cytokine pro-inflammatoire IL-17. Dans ce travail, j'ai montré que les lymphocytes iNKT émigrés thymiques récents sont identifiés spécifiquement par l'expression de Nrp-1. Les lymphocytes iNKT producteurs d'IL-17 expriment Nrp-1 et dépendent de l'export thymique. D'autre part, Nrp-1 est exprimé par les thymocytes immatures en division et certains lymphocytes Tαβ conventionnels mémoires en prolifération homéostatique rapide. In vitro, l'activation des lymphocytes T par le TCR induit l'expression de Nrp-1 de manière dépendante de la voie de signalisation Ca2+/calcineurine/NFAT. L'expression de Nrp-1 dans les lymphocytes T activés les sensibilise aux effets régulateurs de Sema3A et TGF-β1. En conclusion, ces résultats apportent de nouvelles données concernant l'expression et la fonction de Nrp-1 dans le système immunitaire. Plus généralement, cette étude permet d'envisager des stratégies thérapeutiques ciblant les processus dépendants de Nrp-1 dans les pathologies du système immunitaire et du système nerveux ou les cancers.

La croissance d'une tumeur au-delà de quelques mm3 requiert la formation de son propre réseau vasculaire par angiogenèse ; la destruction de ces vaisseaux nourriciers pourrait conduire à une régression tumorale. L'angiogenèse est orchestrée par de nombreux facteurs de croissance, dont le VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor). La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées, reposant sur l'action conjuguée d'un photosensibilisateur (PS), de la lumière et de l'oxygène. Outre des dommages cytotoxiques directs aux cellules tumorales, la PDT induit des dommages indirects, caractérisés par l'altération de la vascularisation tumorale et l'activation d'effecteurs immunitaires. <br />Un nouveau PS couplé à un heptapeptide (ATWLPPR) ciblant neuropiline-1, un co-récepteur du VEGF, a été synthétisé. Ce couplage ne modifie pas les propriétés photophysiques du PS.<br />Une étude in vitro sur cellules endothéliales de veine ombilicale humaine a montré une moindre cytotoxité à l'obscurité, une amélioration de l'incorporation intracellulaire et une meilleure activité photodynamique, suite au couplage du PS au peptide.<br />In vivo, chez des souris nude porteuses de gliomes malins humains, le PS conjugué s'accumule dans la tumeur à des taux supérieurs à ceux retrouvés dans la peau. En utilisant des conditions (dose de PS, fluence et irradiance lumineuses) optimisées par une approche de plan d'expériences, la PDT avec le PS couplé au peptide induit une réduction du flux sanguin pendant traitement, comparé au PS non couplé, une destruction des cellules endothéliales des vaisseaux sanguins, 24h après PDT, ainsi qu'un retard de croissance tumorale, statistiquement significatif comparé au PS non couplé.

L’angiogenèse tumorale réfère à la capacité d’une tumeur à stimuler la formation de nouveaux vaisseaux sanguins. L’induction de l’angiogenèse dépend notamment de la présence de certains récepteurs exprimés à la surface de cellules endothéliales et tumorales. Ces récepteurs sont impliqués dans la formation de nouveaux vaisseaux sanguins mais aussi dans la progression des tumeurs, l’invasion locale des tissus avoisinants et la formation de métastases. Nous nous intéressons ici essentiellement aux récepteurs de type intégrines (et surtout l’intégrine αvß3) ou neuropiline-1 (NRP1).Les intégrines sont des récepteurs transmembranaires décrits initialement parce qu’ils permettent aux cellules d’adhérer et de se déplacer sur la matrice extracellulaire (ECM) en particulier parce qu’elles se lient à la séquence tri-peptidique RGD, mais elles interviennent aussi directement et indirectement dans les échanges biochimiques entre les cellules et leur micro-environnement. NRP1 est un corécepteur du VEGF (vascular endothelial growth factor). Pour cela, NRP1 s’associe au récepteur principal VEGFR2, surexprimé dans les tumeurs et dont l’expression a été corrélée avec l’angiogenèse. Il est très important de noter que l’intégrine αvß3 et le récepteur NRP1 peuvent interagir physiquement et fonctionnellement. Notre hypothèse de travail est alors qu’en bloquant la fonction de ces 2 récepteurs nous pourrons augmenter l’efficacité des thérapies anti-angiogèniques anti-tumorales.Nous avons généré des nanoparticules de silices bifonctionnelles car elles présentent à leur surface à la fois des peptides cycliques cRGD ciblant l’intégrine αvß3 et ATWLPPR qui cible NRP1. Nous avons testé des ratio différents de peptides cRGD et ATWLPPR (100/0, 25/75, 50,75/50/25 et 0/100), et nous avons aussi optimisé le nombre total de ces ligands/NP. Nous avons analysé l’affinité des différentes molécules, leur sélectivité et activité biologique ainsi que leurs propriétés anti-angiogéniques et anti-tumorale en particulier sur des cellules endothéliales humaines (ECs) et sur des lignées de cellules tumorales.Notre étude suggère que ces nanoparticules bifonctionnelles présentent un grand potentiel si leur composition est soigneusement définie. En particulier, elles peuvent présenter des activités extrêmement variables voir opposées suivant la nature et composition de leur surface et de la concentration à laquelle les NPs sont utilisées. En effet, à « haute concentration » en NP, ce qui correspond en fait à une faible concentration en peptides, nous montrons qu’il est possible d’obtenir un effet « pro-angiogénique » lié au recrutement d’autres récepteurs de facteurs de croissance (IGF1-R/IR) qui a priori ne devaient pas intervenir dans notre système, mais semblent pouvoir être fonctionnellement liés aux intégrines et/ou NRP1 en réponse aux particules présentant les 2 peptides cRGD et ATWLPPR. Ces résultats contribuent à expliquer certains échecs thérapeutiques des agents anti-angiogéniques mais nous permettent aussi de proposer des solutions attractives pour la définitions nouveaux agents thérapeutiques. / Tumor angiogenesis refers to the ability of a tumor to stimulate new blood vessels formation. Angiogenesis strongly depends on cell surface receptors and integrin activation to promote tumor progression, local invasion and dissemination. Integrins (especially integrin αvß3) and Neuropilin-1 (NRP1), a co-receptor of VEGFR2, are over-expressed in the tumor vasculature and by tumor cells, and their expression has been correlated with tumor progression. Importantly, integrin αvß3 and NRP1 can physically and functionally interact.The use of dual targeted drugs that block the integrin αvß3 and the NRP1 receptor simultaneously is thus expected to augment the anti-angiogenic and anti-tumor activities, as compared to each “mono-therapy” separately. During my PhD studies, in collaboration with the group of chemists leaded by Pr G. Subra, we generated different batches of bifunctional cRGD/ATWLPPR peptides coated nanoparticles (NPs) targeting integrin αvß3 and NRP1 simultaneously. We introduced different ratio of cRGD and ATWLPPR peptides (100/0, 25/75, 50/50, 75/25 and 0/100), and we also increased the amount of total ligands on the surface of the silica NPs. Systematic studies including molecules' affinity, selectivity, and biological activity as well as anti-angiogenic and anti-tumoral effects were performed on primary endothelial cells (ECs), immortalized ECs and several tumor cells. NPs properties were also evaluated in vivo in a mouse tumor model. We report here that these NPs present highly variable biological activities in ECs and tumor cells depending on the peptides ratio, surface coating of the NPs and on their concentration. In particular, “elevated” concentrations of NPs, which actually correspond to usual concentrations of peptides, can activate an unexpected IGF1-R/IR-AKT signaling pathway that could lead to a counter-productive pro-angiogenic activity (agonist instead of antagonist). This could mimic the conflicting results obtained in clinical trials using Cilengitide, an RGD-presenting peptide, and thus provide new areas of investigations and new possibilities to design active nano-drugs.This work can thus participate to the general effort of our research community to design efficient targeted anti-angiogenic therapies that could be applied in particular for cancer treatment.