Le neuroblastome à haut risque est caractérisé par un faible taux de survie (~30%) et des récidives fréquentes, malgré les traitements multimodaux existants. Généralement, les études d’évaluation des médicaments utilisent la culture cellulaire en 2D, mais elle ne reflète pas la biologie tumorale du neuroblastome in situ, incluant les caractéristiques associées à l’hypoxie et la densité cellulaire. En comparaison aux patients, la culture cellulaire conventionnelle semble altérer le phénotype cellulaire du neuroblastome, le transcriptome et l’épigénome qui affecteront, à leur tour, les résultats des études pharmacologiques. Ainsi, un nouveau modèle de culture cellulaire en 3D a été développé avec plusieurs lignées cellulaires de neuroblastome afin d’atteindre une culture de sphéroïdes à long terme (un mois) avec un taux de viabilité convenable. L’hypothèse de recherche est que les changements épigénétiques et transcriptionnels seront induits par l’adaptation en 3D et vont s’amplifier dans le temps lors de la culture en 3D. Ces changements ont été mesurés en 3D dans le temps pour identifier le moment où l’épigénome des sphéroïdes ressemble le plus à celui des patient à haut risque. Le changement de l’expression des régulateurs épigénétiques survient 24 jours après la mise en sphéroïde, ce qui se traduit par une différence dans la sensibilité aux médicaments épigénétiques par rapport à la culture 2D. En conclusion, notre étude nous a permis de dériver des nouveaux modèles de neuroblastome qui sont plus représentatifs des patients d’un point de vue épigénétique et pharmacologique. / High-risk neuroblastoma is characterized by a low survival rate (~30%) and frequent recurrences, despite all the multimodal treatments available to date. Typically, drug evaluation studies use 2D cell culture which does not reflect well the tumor biology of neuroblastoma in situ, including features associated with hypoxia and cell density. Thus, compared to patients data, the conventional 2D cell culture seems to alter the neuroblastoma cell phenotype, transcriptome and epigenome which in turn will affect the results of pharmacological studies. A new 3D cell culture model was developed with several neuroblastoma cell lines to achieve long term spheroid culture (up to one month) with a suitable viability rate. We hypothesized that transcriptional and epigenetic changes will be induced by 3D adaptation and will amplify over time in the cells cultured in 3D. All these changes were measured by Western Blot in 2D, in short term 3D and in long term 3D to identify the timepoint when the epigenome of the spheroids most closely resembles that of the patient. We found that the occurrence of changes in epigenetic regulator expression occurs after 24 days of spheroid culture, resulting in a difference in a drug sensitivity compared to 2D culture. In summary, we developed new neuroblastoma models that are more representative of patient’s epigenome and pharmacological sensitivity.

Pour étudier la capacité cellulaire à s’adapter aux changements de signalisation dépendante des RTKs, nous utilisons un modèle de souris où l’expression du RTK Met sauvage peut être accrue dans un tissu spécifique. La plupart des tissus se protègent contre cette expression anormale des RTK. Mais certains types cellulaires sont sensibles aux altérations des RTKs, c’est le cas du mésenchyme du membre pendant l’embryogenèse. En effet, l’expression de certains gènes du mésenchyme est modifiée et celui-ci n’est plus accessible aux myoblastes qui le colonisent, conduisant à des déficits des muscles du membre. Chez l’adulte une augmentation de l’expression de Met dans le foie (Alb-R26Met) perturbe l’homéostasie tissulaire, conduisant à la tumorigenèse. Pour identifier des gènes qui coopèrent avec les RTKs pendant l’initiation de la tumorigenèse, nous avons combiné les souris Alb-R26Met avec le système de mutagenèse Sleeping Beauty (SB) transposon. 285 gènes putatifs liés au cancer ont été identifiés. Certains sont des proto-oncogènes ou suppresseurs de tumeurs déjà connus, validant le système. D’autres gènes n’avaient, jusqu’à présent, jamais été associés à ce processus. 9 candidats ont été fonctionnellement validés. Pour identifier des signaux assurant le maintien de la tumeur, nous avons analysé le phosphokinome, testé l’efficacité de composés et identifié de nouvelles combinaisons de drogues qui agissent en synergie pour tuer les cellules cancéreuses dérivées de Alb-R26Met. En conclusion, ces travaux montrent qu’une approche génétique non-biaisée combinée à une approche génomique permet d’identifier de nouveaux mécanismes pertinents pour la biologie du cancer. / We explore the cell competence to deal with slight changes in RTK inputs during embryogenesis and tissue homeostasis using a mouse model in which wild-type RTK Met levels can be moderately enhanced in a tissue specific manner. Most tissues buffer enhanced RTK levels thus avoiding perturbation of developmental programs and tissue homeostasis. Nevertheless, certain cell types are vulnerable to RTK levels. During embryogenesis, the limb mesenchyme is sensitive to alterations of the spatial distribution of RTKs, as illustrated by gene expression changes and by loss of accessibility to incoming myoblasts, which lead to limb muscle defects. At adulthood, liver enhanced Met levels (Alb-R26Met) perturbs tissue homeostasis, leading to tumorigenesis. To uncover new genes that cooperate with RTKs during tumour initiation, we combined Alb-R26Met mice with the Sleeping Beauty (SB) transposon mutagenesis system. 285 putative cancer-related genes have been identified. Some correspond to known proto-oncogenes or tumour suppressors, thus validating the overall strategy we employed for cancer gene discovery. Others have not been previously linked to cancer. 9 new tumour suppressors have been functionally validated, demonstrating the validity of our screen strategy. To identify signals involved in tumour maintenance, we employed a phosphokinome-guided drug screen and identified new synergistic drugs deleterious for cancer cells modelled by the Alb-R26Met genetic setting. The overall strategy and outcomes strengthen the value of combining unbiased genetic and genomic approaches to identify new mechanisms relevant for cancer biology and new therapeutic interventions.

Le neuroblastome pédiatrique à haut risque est incurable malgré l’intensification des traitements. Chez le patient, les cellules de neuroblastome échappent à l’activité anticancéreuse des cellules immunitaires Natural Killer (NK). Or, lorsque cultivées in vitro en monocouche (2D), les cellules de neuroblastomes redeviennent sensibles à l’activité cytotoxique des cellules NK ce qui ne reflètent pas leur résistance dans les tumeurs in situ. Nous faisons l'hypothèse que lorsque cultivées en 3D sous forme de sphéroïdes, les cellules de neuroblastome pourraient retrouver certaines caractéristiques qui les rendraient plus représentatives des tumeurs in situ au niveau immunologique. Ainsi, un tel modèle préclinique pourrait mieux refléter la résistance aux cellules NK et servir de modèle de criblage pour la découverte de médicaments potentialisant la cytotoxicité des cellules NK. Pour répondre à cette question, nous avons développé un système de culture cellulaire 3D utilisant plusieurs lignées cellulaires de neuroblastome. À ce système, une co-culture en 3D avec une lignée de cellules Natural Killer (NK92) a été mise en place. Nous avons mis en évidence que les sphéroïdes de neuroblastome présentent des changements d’expression de certains gènes qui sont retrouvées chez les patients ainsi qu’une plus grande résistance à l’activité cytotoxique des cellules NK92 en comparaison avec les lignées en monocouche. Les co cultures de sphéroïdes ont été exposées à des inhibiteurs de protéines impliquées à différents niveaux de l’épigénome afin de découvrir des médicaments qui sensibiliseraient les cellules de neuroblastome à l’activité cytotoxique des NK92. Une différence dans la sensibilité aux médicaments entre les sphéroïdes et les cellules en 2D ainsi qu’en monoculture ou en co-culture a été observée et certains composés ont été identifiés en vue de potentialiser l’activité des cellules NK92. Ainsi, nos études ont permis de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la résistance des cellules du neuroblastome à l’activité cytotoxique des cellules NK dans un modèle plus représentatif de la tumeur in situ. / High-risk pediatric neuroblastoma remains incurable despite intensified treatments. In patients, neuroblastoma cells evade the anti-cancer activity of Natural Killer (NK) immune cells. However, when cultured in vitro in a monolayer (2D), neuroblastoma cells become sensitive to the cytotoxic activity of NK cells, which does not reflect their resistance in tumors in situ. We hypothesize that when cultured in 3D in the form of spheroids, neuroblastoma cells could regain certain characteristics that would make them representative of tumors in situ at the immunological level. Thus, such a preclinical model could better reflect NK cell resistance and serve as a screening model for drug discovery to discover a treatment that can potentiate NK cell cytotoxicity. To answer this question, we developed a 3D cell culture system using several neuroblastoma cell lines. To this system, a 3D coculture model with a Natural Killer (NK92) cell line was set up. We have shown that neuroblastoma spheroids develop changes in the expression of certain genes that are found in patients as well as greater resistance to NK92 cells compared to monolayer cell lines. Spheroid cocultures were exposed to inhibitors of proteins involved at different levels of the epigenome to discover drugs that would sensitize neuroblastoma cells to the cytotoxic activity of NK92. A difference in drug sensitivity between spheroids and cells in 2D as well as in monoculture or coculture was observed and some compounds were identified to potentiate the activity of NK92 cells. Thus, our studies have provided a better understanding of the mechanisms involved in the resistance of neuroblastoma cells to the cytotoxic activity of NK cells in a more representative model of the tumor in situ.

Selon l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), les agonistes du récepteur opioïde Mu (MOR) sont la première ligne de traitement pour le soulagement des douleurs aiguës modérées à sévères. Cependant, ces derniers induisent de nombreux effets indésirables, tels que la dépression respiratoire et la constipation, qui limitent leur utilisation pour une gestion appropriée de la douleur. Chacun des effets indésirables des agonistes du MOR est médié par des mécanismes cellulaires et moléculaires complexes. C’est pourquoi un nombre considérable de recherches précliniques ont été menées afin de découvrir des opioïdes qui induiraient moins d’effets indésirables. Plus particulièrement, de nombreuses études se sont concentrées sur le développement d’agonistes biaisés du MOR qui ont peu ou pas de recrutement de β-arrestine 2 et qui activent préférentiellement les protéines G. Néanmoins, ces recherches n’ont pas réussi à identifier des agonistes biaisés avec un profil amélioré d’effets indésirables en clinique. Nous proposons dans cette thèse que la caractérisation des similarités signalétiques des agonistes du MOR serait une bonne alternative à l’agonisme biaisé pour l’identification d’opioïdes avec des profils d’effets indésirables distincts. Pour ce faire, nous avons développé une méthode basée sur l’utilisation de l’apprentissage non supervisé par clustering pour classifier les ligands du MOR en des catégories pharmacodynamiques. Cette classification s’est faite à l'aide des paramètres qui caractérisaient une panoplie de voies de signalisation médiées par les protéines G et par les β-arrestines. Nous avons pu associer ces différentes catégories pharmacodynamiques avec différentes fréquences de rapport d’effets indésirables d’opioïdes cliniques au programme de pharmacovigilance de la FDA (Food and drug administration) tels que des effets respiratoires et gastro-intestinaux. Nous avons également montré que cette méthode peut être plus généralement appliquée à d’autres sous-types et types de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). L’efficacité et l’innocuité des agonistes du MOR pour le soulagement des douleurs chroniques non cancéreuses, telles que les douleurs neuropathiques, est un sujet controversé et plusieurs essais cliniques ne sont pas en faveur de leur utilisation. Or, la douleur neuropathique est une maladie fréquente qui est associée à une très pauvre qualité de vie du patient et pour laquelle seulement 30 à 40% des patients rapportent un soulagement adéquat de la douleur avec les traitements actuels. Dans les modèles précliniques, les cannabinoïdes sont capables de moduler des processus impliqués dans le développement des douleurs neuropathiques. Ceci les rend des candidats prometteurs pour le soulagement de ces douleurs en clinique. Néanmoins, peu de médicaments à base de cannabis sont présentement approuvés sur le marché pour un usage thérapeutique. Ces derniers sont régulés selon leur contenu en Δ9-tétrahydrocannabinol (THC) et cannabidiol (CBD) et il existe une présomption selon laquelle les quantités de THC et les ratio THC:CBD permettraient de décrire l’activité biologique du cannabis médical. Or, les extraits commerciaux peuvent contenir jusqu’à 23 phytocannabinoïdes et de nombreux autres composés chimiques. La description de ces derniers uniquement en termes de contenus en THC et en CBD ne prend pas en considération les interactions potentielles qui peuvent arriver entre les multiples autres composants et qui peuvent aboutir à des effets cliniques différents. Nous avons donc testé dans cette thèse s’il y avait réellement une équivalence entre l’activité biologique d’un extrait de cannabis et des traitements cannabinoïdes avec des contenus en THC et/ou en CBD équivalents Nous avons démontré que les réponses analgésiques du THC et du CBD seuls, d’une combinaison THC:CBD (1 :1) et d’un extrait de cannabis de chémotype II (avec un ratio THC:CBD ≈ 1 :1) ne sont pas équivalentes dans un modèle de neuropathie diabétique chez les rats. Aux hautes doses testées, l’extrait était plus efficace à soulager la douleur que la combinaison THC:CBD (1 :1) qui, elle-même, était plus efficace que le THC et le CBD seuls. De plus, ces différents traitements engageaient les cibles moléculaires du système endocannabinoïde CB1 (récepteur cannabinoïde 1), CB2 (récepteur cannabinoïde 2) et TRPV1 de façon distincte. Ensemble ces résultats suggèrent qu’une équivalence au niveau des contenus en THC et des ratios THC:CBD ne se traduit pas par une équivalence d’activité biologique telle que l’analgésie. Dans son ensemble, cette thèse propose dans un premier temps une méthode basée sur la classification pharmacodynamique de ligands de RCPG qui pourrait être utile pour l’identification de nouveaux candidats opioïdes avec un profil d’effets indésirables amélioré. Dans un second temps, nous avons démontré que les cannabinoïdes induisent des effets analgésiques à travers différentes cibles pharmacodynamiques et que ces dernières étaient engagées de façon distincte par les différents traitements. Notre intention future est de décrire in vitro les profils signalétiques des cannabinoïdes sur ces différentes cibles et d'utiliser notre outil de classification pharmacodynamique afin de corréler ces réponses signalétiques avec leurs effets analgésiques et indésirables in vivo. Ces travaux fournissent des éléments pertinents pour le développement rationnel d’analgésiques plus efficaces et mieux tolérés en clinique. / According to the World Health Organization (WHO), Mu opioid receptor agonists (MOR) are the first line of treatment for the relief of moderate to severe acute pain. However, they induce numerous adverse effects, such as respiratory depression and constipation, which limit their use for appropriate pain management. Each of the adverse effects of MOR agonists is mediated by complex cellular and molecular mechanisms. As a result, a considerable amount of preclinical research has been conducted to discover opioids that would induce fewer adverse effects. Specifically, many studies have focused on developing biased MOR agonists that have little or no β-arrestin 2 recruitment and preferentially activate G proteins. Despite these investigations, efforts to identify biased agonists with an improved adverse event profile in the clinic have been unsuccessful. In this thesis, we propose that characterizing the signaling similarities of MOR agonists would be a good alternative to biased agonism for identifying opioids with distinct adverse effect profiles. To this end, we developed a method based on the use of unsupervised clustering learning to classify MOR ligands into pharmacodynamic categories. This classification was done using parameters that characterized a panoply of G protein- and β-arrestin-mediated signaling pathways. We were able to associate these different pharmacodynamic categories with different frequencies of clinical opioid adverse event reported to the FDA pharmacovigilance program such as respiratory and gastrointestinal effects. We have also shown that this method can be more generally applied to other subtypes and types of G protein-coupled receptors (GPCRs). The efficacy and safety of MOR agonists for the relief of chronic non-cancer pain, such as neuropathic pain, is a controversial topic and several clinical trials do not support their use. Neuropathic pain is a common condition that is associated with very poor patient quality of life and for which only 30-40% of patients report adequate pain relief with current treatments. In preclinical models, cannabinoids are able to modulate processes involved in the development of neuropathic pain. This makes them promising candidates for the relief of such pain in the clinic. However, few cannabis-based medications are currently approved for therapeutic use. For safety reasons, these are regulated according to their Δ9-Tetrahydrocannabinol (THC) and cannabidiol (CBD) content under the presumption that THC amounts and THC:CBD ratios would adequately describe the biological activity of medical cannabis. Commercial extracts of medical cannabis may contain up to 23 phytocannabinoids and many other chemical compounds. Describing these products only in terms of THC and CBD content does not take into consideration the potential interactions that may occur between these multiple components and that may result in different clinical effects. We therefore tested in this thesis whether there was really an equivalence between the biological activity of a cannabis extract and cannabinoid treatments with equivalent THC and/or CBD contents. We demonstrated that the analgesic responses of pure THC and CBD, a THC:CBD (1:1) combination, and a chemotype II cannabis extract (with a THC:CBD ratio ≈ 1:1) were not equivalent in a rat model of diabetic neuropathy. At the high doses tested, the extract was more efficacious than the THC:CBD (1:1) combination which, in turn, was more efficacious than pure THC and CBD. Furthermore, these different treatments engaged the molecular targets of the endocannabinoid system CB1 (cannabinoid receptor 1), CB2 (cannabinoid receptor 2), and TRPV1 in distinct ways. Together, these results suggest that equivalence in THC content and THC:CBD ratios does not translate into equivalence in biological activity such as analgesia. Overall, this thesis firstly proposes a pharmacodynamic-based method of GPCR ligand classification that could be useful for the identification of new opioid candidates with an improved adverse effect profile. Secondly, we demonstrated that cannabinoids produced their analgesic effects via different pharmacodynamic targets and that these targets were distinctively engaged by the different treatments. Our future intention is to describe the in vitro signaling profiles of cannabinoids at these different targets, and to use our pharmacodynamic clustering tool to correlate these signaling responses with their in vivo their analgesic and adverse effects. This work provides relevant insights for the rational development of more effective and better tolerated analgesics in the clinic.