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Le cancer de la prostate (CaP) est le second cancer le plus fréquent chez l’homme. Le microenvironnement tumoral (MET) joue un rôle important dans la cancérogenèse prostatique et la formation de métastases indépendamment des androgènes. Il existe une communication étroite entre les cellules épithéliales tumorales et le stroma via la sécrétion de facteurs solubles permettant la survie et la métastase des cellules cancéreuses. La modulation de la sécrétion de ces facteurs pourrait donc constituer un moyen d’intervention thérapeutique dans le traitement des cancers prostatiques. Les canaux ioniques et le calcium intracellulaire sont connus pour moduler la sécrétion. Dans ce contexte, nous avons montré que le canal TRPA1 est exprimé au niveau des fibroblastes associés au cancer (CAF) de la prostate humaine. L’activation de ce canal par les facteurs épithéliaux conduit à une augmentation du taux de calcium intracellulaire favorisant l’expression et la sécrétion de facteurs de croissance. Nos données montrent que ces derniers induisent la transition épithélio-mésenchymateuse, la migration et la résistance aux agents chimiothérapeutiques des cellules cancéreuses. Enfin, nous avons mis en évidence des polymorphismes et des mutations du canal TRPA1 des CAF permettant son activation par des facteurs environnementaux et la sécrétion de facteurs de croissance induisant la résistance à l’apoptose des cellules cancéreuses prostatiques. L’ensemble de ces données suggèrent que le canal TRPA1 constitue une cible potentielle pour les thérapies futures des CaP en permettant d’interrompre les interactions épithélio-stromales du MET et d’empêcher l’évolution de ces cancers. / Prostate cancer (PCa) is the second most common cancer in men. The tumor microenvironment (TME) plays an important role in prostate carcinogenesis and metastasis independently of androgens. There is a close communication between tumor epithelial cells and stroma through the secretion of soluble factors promoting survival and metastasis of cancer cells. Modulating the secretion of these factors could therefore be a potential therapeutic option in the treatment of prostate cancers. Ion channels and the intracellular calcium are known to modulate secretion. In this context, we have shown that the TRPA1 channel is expressed in fibroblasts associated to cancers (CAF) in human prostate. Here, we describe that the activation of TRPA1 channel by epithelial factors leads to an increase in intracellular calcium levels promoting expression and secretion of growth factors. Our data show that these latter induce the epithelial-mesenchymal transition, migration and resistance to chemotherapeutic agents in cancer cells. Finally, we identified polymorphisms and mutations in TRPA1 channel allowing its activation by environmental factors and secretion of growth factors inducing resistance to apoptosis of prostate cancer cells. All these data suggest that TRPA1 channel constitutes a potential target for future therapies of PCa to interrupt the epithelial-stromal interactions of TME and prevent the development of these cancers.

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Proefschrift Rijksuniversiteit Limburg, Maastricht. / Met lit. opg. - Met een samenvatting in het Nederlands.

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Avec la chimiothérapie et la chirurgie, la radiothérapie fait partie intégrante de l'arsenal thérapeutique pour lutter contre le cancer. Afin de potentialiser l’efficacité des rayonnements ionisants, la radiochimiothérapie s’est développée mais en raison des résultats insuffisants de cette stratégie, de nouvelles voies permettant une modulation de la radiosensibilité tumorale sont évaluées. C’est dans ce contexte d’amélioration de l’efficacité de la radiothérapie que s’inscrit ce travail de thèse. Nous avons évalué l’intérêt thérapeutique de l’association d’inhibiteurs de la réparation de l’ADN à la radiothérapie sur un modèle orthotopique de cancer bronchique et sur un modèle orthotopique de cancer de la tête et du cou. En raison de son rôle prépondérant dans la réparation des cassures simple brin, PARP1 a été ciblé dans un premier temps pour éprouver cette stratégie, à l’aide d’un inhibiteur chimique l’Olaparib. Le rationnel consistait à inhiber la réparation de dommages induits par l’irradiation, pouvant ainsi conduire à la mort des cellules tumorales. Les résultats obtenus in vitro ont montré que l’inhibition de PARP1 permettait en effet de potentialiser les effets de la radiothérapie. Cette association thérapeutique a, par la suite, été évaluée in vivo et a montré une très faible radiosensibilisation, limitée par une toxicité induite par cette association. Afin d’augmenter l’efficacité de cette stratégie thérapeutique, un inhibiteur d’ATR (AZD6738), une des protéines majeures de la réponse aux dommages de l’ADN et au stress réplicatif, a été ajouté à la combinaison initiale. Il a en effet été montré que Chk1, la cible principale d’ATR, était activée dans les cellules traitées avec l’Olaparib et/ou irradiées. Nous avons démontré in vitro et in vivo, que l’AZD6738 améliorait l’efficacité de la combinaison irradiation et Olaparib dans nos deux modèles tumoraux, suggérant le potentiel de cette triple combinaison en clinique. Enfin, en raison du rôle de l’irradiation et de PARP1 dans différents processus immunitaires, nous avons étudié de façon préliminaire l’influence de nos différentes combinaisons thérapeutiques sur l’infiltrat immunitaire tumoral. Sachant que l’efficacité de l’association Olaparib/irradiation avait été démontrée dans des modèles tumoraux implantés en sous-cutané, ce travail de thèse montre l’importance et la pertinence de modèles précliniques plus proches de la pathologie humaine, comme les modèles orthotopiques. En effet, il est très probable que les toxicités observées au cours de ce travail soit la conséquence d’une détérioration avancée des muqueuses présentes dans le champ d’irradiation et que celles-ci ne puissent être observées lors d’irradiation localisée de tumeurs implantées en sous-cutané. / With chemotherapy and surgery, radiotherapy is part of anti cancer therapeutic strategy. To increase ionizing radiations effects, radiochemotherapy has emerged, but because of inefficient results, new pharmacological strategies for modulation of radiosensitization has been assessed. My thesis project is part of this context of improvement of radiotherapy efficiency. We have evaluated therapeutic interest of association of DNA repair inhibitors and radiotherapy on lung cancer model and head and neck cancer model. Because of its implication in single strand break repair, PARP1 has been first, targeted to assess this strategy, with the chemical inhibitor Olaparib. The rational was to inhibit radio-induced damages, leading to cellular death. In vitro, we have demonstrated that Olaparib was promising for enhancing radiation efficacy, but has an in vivo limited radiosensitization, plus we observed with this association a toxicity. Non toxic association has been found by decreasing Olaparib dose, but association efficiency has been limited, meaning that Olaparib, in our model, has a restrained therapeutic index.To increase the efficiency of this combination, we have added an ATR inhibitor (AZD6738), one of the key proteins implicated in response to DNA damages and replicative stress. In fact it has been demonstrated, that ATR main target, Chk1, was activated in Olaparib-treated and/or irradiated cells. We have demonstrated in vitro and in vivo, that AZD6738 improved efficiency of Olaparib and radiotherapy combination in both models, suggesting the potential of this triple combination in clinic.Finally, because of effects of PARP1 and radiation on different immune processes, we have preliminary studied, the influence of this different combinations on immune infiltrate.Knowing that efficiency of the association Olaparib and radiotherapy has already been demonstrated in subcutaneous models, this work has shown the importance and relevance of preclinical models, closer to human pathologies, as orthotopic models. In fact, it is likely that toxicities observed during this work, are the consequence of mucous membrane damaging in the field of irradiation, which cannot be observed with localized irradiation of subcutaneous tumors.

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5.1 Immuntherapie mit vom Tumorstroma abgeleiteten Peptiden Tumore bestehen nicht nur aus Tumorzellen, sondern auch aus der sie umgebenden extrazellulären Matrix (EZM), und Stromazellen wie Fibroblasten (cancer-associated fibroblast; CAF) und Endothelzellen (tumor endothelial cell; TEC). Diese Stromazellen haben durch die Ausschüttung von Zytokinen, proteolytischen Enzymen, Wachstums- und Angiogenesefaktoren einen entscheidenden Einfluss auf die Tumorprogression. Sie unterscheiden sich von den Stromazellen der normalen Gewebe durch die Expression von sogenannten Tumorstroma-assoziierten Antigenen (TSAA). Damit sollten Therapien, die auf TSAA abzielen, universell einsetzbar und weniger anfällig gegenüber Resistenzentwicklungen (immune escape Mechanismen) sein, da Stromazellen im Gegensatz zu neoplastischen Zellen genetisch relativ stabil sind. Für eine Immuntherapie mit vom Tumorstroma abgeleiteten Peptiden wählten wir die TSAA Endoglin und Fap, welche während der Wundheilung und im Tumorstroma induziert werden. Dabei sollte überprüft werden, ob prophylaktische Vakzinierungen in C57Bl/6j Mäusen Peptid-reaktive T-Zellen induzieren können, und das Wachstum von transplantieren Grm1-transgenen Tumoren reduziert werden kann. In der Tat konnten wir sowohl bei Endoglin- als auch bei Fap Peptid vakzinierten Tieren in vivo Peptid-reaktive Lymphozyten im Blut und zu einem geringeren Anteil auch in der Milz nachweisen, welche Peptid-gepulste syngene Milzzellen lysieren konnten. Allerdings konnte in beiden Fällen keine Reduktion des Tumorwachstums gegenüber der Kontrollgruppe beobachtet werden. Bei der Fap-Peptid-vakzinierten Gruppe war das Tumorwachstum gegenüber der Kontrollgruppe sogar gesteigert. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Induktion Fap-Peptid-reaktiver T-Zellen tumorpromovierend wirkt. Möglicherweise könnte aber durch eine Modifikation des Vakzinierungsprotokolls bzw. durch eine Kombination mit anderen Immuntherapeutika ein verbessertes Ansprechen auf eine Endoglin bzw. Fap basierte Immuntherapie erzielt werden. 5.2 Immunsuppressive Mechanismen im Grm1-transgenen Melanom-Modell Grm1-transgene Mäuse entwickeln spontan kutane Melanome. Dieses Modell erlaubte es uns in der vorliegenden Arbeit spontane Immunantworten im Laufe der Melanomentstehung zu untersuchen. Hierfür analysierten wir sowohl ex vivo als auch in vitro aus Milz und Lymphknoten gewonnene Lymphozyten von Mäusen, welche keine Tumorläsionen bzw. eine niedrige oder hohe Tumorlast aufwiesen. Dabei konnten wir ex vivo einen Anstieg der Frequenz aktivierter CD4+ und CD8+ Lymphozyten mit zunehmender Tumorlast zeigen. Bei tumortragenden Tieren exprimierten jedoch hauptsächlich CD4+ T-Zellen Aktivierungsmarker nach in vitro Stimulation. Interessanterweise waren diese Zellen tumortragender Tiere auch funktionell beeinträchtigt, was sich in einer verminderten Proliferationskapazität nach in vitro Stimulation zeigte. Weitere Analysen ergaben, dass die erhöhte Frequenz regulatorischer T Zellen bei tumortragenden Tieren ein frühes Ereignis im Laufe der Tumorentstehung ist. Gleichzeitig konnte auch ein starker Anstieg der immunsupprimierenden Zytokine Tgf-β1 und Il-10 sowohl in den Lymphknoten als auch im Tumorgewebe beobachtet werden. Dabei war die Tgf-β1-Expression sowohl im Tumor als auch im tumor-drainierenden Lymphknoten erhöht, während Il-10 im Tumor nur moderat exprimiert wurde, was eine komplexere Regulation der Il-10-Expression nahe legt. Dies bedeutet, dass in Grm1-transgenen Mäusen ähnlich wie auch bei Melanompatienten zelluläre und zytokinabhängige Mechanismen zur Tumorentstehung beitragen und dieses Modell daher geeignet ist, um präklinisch immunmodulierende Therapieansätze zu testen. / 6.1 Immunotherapy with peptides derived from tumor stroma-associated antigens Tumors do not only comprise tumor cells but also stromal cells like fibroblasts (cancer associated fibroblast; CAF) and endothelial cells (tumor endothelial cell; TEC) and the surrounding extracellular matrix (ECM). These stromal cells impact on progression and invasion of tumors through release of cytokines, ECM-degrading enzymes, growth factors, and angiogenic factors. They differ from their normal counterparts through expression of so called tumor stroma-associated antigens (TSAA). Therefore, therapies targeting the tumor stroma should be universally applicable. Furthermore, such therapies should be less prone to resistance mechanisms as stromal cells are genetically more stable than neoplastic cells. We selected the TSAA Endoglin and Fap, which are both specifically induced during wound healing and in the tumor stroma, to test if vaccination with peptides derived from these TSAA induced peptide-reactive T cells, and could reduce the growth of transplanted Grm1 transgenic tumors in C57Bl/6j mice in a prophylactic setting. In mice vaccinated with Endoglin- and Fap-peptides, respectively, peptide-reactive lymphocytes from peripheral blood and spleen were able to lyse peptide-loaded syngeneic splenocytes in vivo. However, vaccination with Endoglin- and Fap-peptides, respectively, did not affect the growth of transplanted Grm1-transgenic tumors. In fact, tumor growth was enhanced in Fap peptide vaccinated mice compared to the control group. This suggests that Fap peptide reactive T cells promote tumor progression. Modification of the vaccination protocol or a combination with an immune-modulatory therapy could, however, increase the efficacy of an anti-Endoglin or anti-Fap therapy, respectively. 6.2 Immunosuppressive mechanisms of Grm1-transgenic murine melanoma Grm1-transgenic mice spontaneously develop cutaneous melanoma. This model allowed us to scrutinize the generic immune responses over the course of melanoma development. To this end, lymphocytes obtained from spleens, unrelated lymph nodes and tumor-draining lymph nodes of mice with no evidence of disease, low or high tumor burden were analyzed ex vivo and in vitro. Thereby, we could demonstrate an increased frequency of activated CD4+ and CD8+ T lymphocytes in the respective organs with increasing tumor burden. However, mainly CD4+ T cells, which could constitute both T helper as well as immune suppressive regulatory T cells, but not CD8+ T cells expressed activation markers upon in vitro stimulation when obtained from tumor-bearing mice. Interestingly, these cells from tumor-burdened animals were also functionally hampered in their proliferative response when subjected to strong in vitro stimulation. Further analyses revealed that the increased frequency of regulatory T cells in tumor-bearing mice is an early event present in all lymphoid organs. Additionally, expression of the immunosuppressive cytokines Tgf-β1 and Il-10 became more evident with increased tumor burden. Notably, Tgf-β1 is strongly expressed in both the tumor and the tumor-draining lymph node, whereas Il-10 expression is more pronounced in the lymph node, suggesting a more complex regulation of Il-10. Thus, similar to the situation in melanoma patients both cytokines as well as cellular immune escape mechanisms seem to contribute to the observed immune suppressed state of tumor-bearing Grm1-transgenic mice, suggesting that this model is suitable for preclinical testing of immune-modulatory therapies.

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