Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Abstract: Sunitinib (Sutent®) is a multitargeted, small molecule receptor tyrosine kinase inhibitor used as an anti-cancer drug. It has increased the overall survival rate of metastatic renal cell carcinoma patients as well as the survival time of patients with pancreatic neuroendocrine tumors. Although the clinical use of sunitinib is a significant leap forward in the therapy of those cancers, its induction of cardiac toxicity in a substantial fraction of patients remains a critical problem. Sunitinib may cause hypertension, arrhythmias, drop of the left ventricular ejection fraction and congestive heart failure, fatal in some cases. These side effects are a frequent reason for interruption of its use. The mechanism(s) underlying sunitinib cardiotoxicity are not fully understood. Similar to other receptor tyrosine kinase inhibitors, it binds to a large number of cellular kinases, thus it can affect multiple cellular processes. In vivo, the pattern of toxicity is complex and unpredictable, with symptomatic heart failure sometimes observed early during treatment. The pattern of events preceding the onset of symptomatic cardiac dysfunction during treatment is not established. This represents a significant problem for the clinical diagnosis of cardiovascular complications before they become symptomatic. The identification and early detection of those events would be highly-beneficial for the clinical management of anti-cancer therapy with sunitinib. Positron Emission Tomography (PET) is recognized for its ability to probe metabolic and functional aspects of myocardial function. Under the working concept that heart failure can occur early during sunitinib treatment, and may be sustained by early myocardial metabolic and structural alterations, we performed a study with the objective of assessing the use of PET for the early detection of sunitinib-induced ardiotoxicity. For this, we established a model of cardiotoxicity in C57BL/6 male mice given 80mg/Kg/day of sunitinib or water, orally for 4 weeks. General and cardiac toxicity were monitored by biochemical, microscopical (H&E, immunofluorescence and electron microscopy) as well as gene expression analyses and blood pressure measurements. PET scans were performed weekly using [superscript 11]C-acetate and [superscript 18]F-FDG to evaluated the myocardial blood flow (MBF), myocardial oxidative metabolism through the quantification of oxygen consumption (MVO[subscript 2]), glucose uptake (K[subscript i]), myocardial metabolic rate of glucose (MMRG) and the left ventricular ejection fractions (LVEF). We found that sunitibib was cardiotoxic as revealed by histopathology, immunostaining and electron microscopy. Signs of inflammation and tissue remodeling were found by gene expression analyses and collagen staining. No hypertension or renal damage were detected on the study. FDG-PET revealed an early decrease of the LVEF, indicative of cardiac dysfunction, which developed into grade-2 heart failure by the end of the study. However, no signs of alterations in cardiac metabolism were uncovered by FDG- or [superscript 11]C-acetate-PET. Our results hint that the onset of sunitinib-induced contractile dysfunction may occur in the absence of hypertension or overt metabolic damage and call for further studies with longer treatments to clearly mark the onset of metabolic cardiotoxicity. // Résumé: Le sunitinib est un inhibiteur de tyrosine kinase qui est utilisée comme agent anticancéreux. Bien que l'utilisation clinique du sunitinib représente une percée significative pour le traitement de certains cancers, ce médicament s’avère cardiotoxique chez plusieurs patients, une situation qui est problématique. Le sunitinib peut provoquer une hypertension, des arythmies, une chute de la fraction d'éjection ventriculaire gauche et une insuffisance cardiaque congestive qui peut être fatale. Le mécanisme responsable de la cardiotoxicité de sunitinib n’est pas encore bien compris. Comme plusieurs autres inhibiteurs des récepteurs de la tyrosine kinase, il se lie à un grand nombre de kinases et peut affecter de nombreux processus cellulaires. In vivo, les mécanismes responsables de la toxicité sont complexes et imprévisibles et une insuffisance cardiaque est parfois observée tôt pendant le traitement. La séquence des évènements menant à l'apparition d’une dysfonction cardiaque pendant le traitement n’est pas connue. Cela pose un problème important pour le diagnostic de complications cardiovasculaires avant qu'elles ne deviennent symptomatiques. Une identification précoce de ces événements néfastes serait très bénéfique pour le suivi du traitement au sunitinib. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est une méthode reconnue pour l’évaluation du métabolisme et de la fonctionnalité du myocarde. Selon notre hypothèse de travail, une insuffisance cardiaque peut survenir rapidement pendant le traitement au sunitinib, elle est l’expression d’altérations structurelles et métaboliques au niveau du myocarde; ces modifications se produisent tôt pendant le traitement. Nous avons effectué une étude pour évaluer la faisabilité d’utiliser l’imagerie TEP pour la détection précoce de la cardiotoxicité induite par le sunitinib. La première étape a été de développer un modèle de cardiotoxicité chez des souris. L’induction de la cardiotoxicité s’est faite par administration orale pour une période de quatre semaines, soit de sunitinib 80mg/Kg/jour ou d'eau pour les souris contrôles. Le suivi inclut la mesure de la pression sanguine, l’évaluation des altérations biochimiques, l’expression de certains gènes et un examen histologique du myocarde. Un suivi par imagerie TEP a été effectué chaque semaine avec du [indice supérieur 11]C-acétate et du [indice supérieur 18]F-FDG afin d'évaluer le flux sanguin myocardique (MBF), le métabolisme oxydatif du myocarde incluant la consommation d'oxygène (MVO2), l'absorption du glucose (K[indice inférieur i]), le taux métabolique oxydatif du glucose (MMRG) ainsi que la fraction d'éjection ventriculaire gauche (FEVG). Les résultats que nous avons obtenus par histopathologie, immunocoloration et microscopie électronique montrent que notre modèle est capable d’induire une cardiotoxicité. Nous avons également observé des évidences d'inflammation et de remodelage tissulaire à partir de l’étude de l'expression de certains gènes et de l’analyse de l’accumulation de collagène. Nous n’avons pas observé d’hypertension ni de lésions rénales. La TEP avec [indice supérieur 18]FDG a montré une diminution rapide de la FEVG, une indication d’une dysfonction cardiaque qui a été classée comme insuffisance cardiaque de grade 2 à la fin de l'étude. Cependant, aucun signe de modifications du métabolisme cardiaque n’a été mis en évidence par TEP/[indice supérieur 18]FDG- ou TEP/[indice supérieur 11]C-acétate. Nos résultats laissent penser que l'apparition de la dysfonction contractile induite par sunitinib peut se produire en l'absence d'hypertension ou de dommages métaboliques manifestes. De nouvelles études avec des traitements plus longs permettraient peut être de mieux définir le début de la cardiotoxicité métabolique.

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

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

On estime qu'approximativement 20 millions de personnes dans le monde souffrent d'insuffisance cardiaque et la prévalence de cette pathologie ne cesse d'augmenter avec le vieillissement croissant de la population. L'évaluation de la fonction ventriculaire gauche par la mesure de la fraction d'éjection permet en fait de distinguer deux populations distinctes de patients insuffisants cardiaques : l'une avec et l'autre sans altération de la fraction d'éjection, encore dénommées respectivement Heart Failure with Reduced Ejection Fraction (IC-FEr) et Heart Failure with Preserved Ejection Fraction (IC-FEp). On ne sait pas aujourd'hui si ces deux entités représentent deux pathologies distinctes ou, au contraire, deux entités intimement liées. L'IC-FEp est actuellement observée chez environ 40 à 50% des patients présentant une insuffisance cardiaque et son évolution est semblable à celle des patients IC-FEr.Le concept d'IC-FEp soulève toutefois des difficultés conceptuelles : d'une part car la notion d'une fraction d'éjection préservée implique la connaissance de sa valeur de base et d'autre part, les valeurs dites "normales" de la fraction d'éjection sont encore à établir. Par ailleurs, la vision mécanique du cœur comme une pompe hémodynamique ou musculaire conditionne la compréhension de la physiopathologie de la IF-FEp.Dans ce contexte, nous avons mis au point un modèle porcin de dysfonction diastolique avec éjection préservée secondaire à une hypertension artérielle induite par une perfusion continue d'angiotensine II pendant 28 jours. Dans ces conditions, nous avons démontré une altération de la fonction ventriculaire gauche alors même que l'éjection était préservée. Ceci était objectivé par 1) une augmentation paradoxale des durées relatives de contraction et de relaxation isovolumiques, 2) des réponses inappropriées des phases isovolumiques du cycle cardiaque à des augmentations de la fréquence et de l'inotropisme cardiaques et 3) une étroite relation entre ces deux phases isovolumiques (couplage contraction-relaxation). L'inadéquation entre les niveaux de fréquence cardiaque et des phases isovolumiques nous a amené à évaluer les effets de la modulation pharmacologique de la fréquence cardiaque sur le couplage contraction-relaxation. Ainsi la réduction sélective de la fréquence cardiaque par l'administration d'ivabradine, un inhibiteur des canaux If, a réduit significativement la durée de ces deux phases et favorisé le remplissage. Cependant, cette normalisation n'était qu'apparente puisque le ratio entre la contraction et la relaxation isovolumiques restait augmenté à J28, en défaveur de la contraction isovolumique.En conclusion, le développement d'une dysfonction diastolique avec une éjection préservée s'accompagne d'une dysfonction systolique qui entrave une réponse adéquate du myocarde à un stress dans un contexte d'hypertension chronique. / Approximately 20 millions individuals in the world experience heart failure symptoms; heart failure prevalence is continuously rising with population aging. Left ventricular function evaluation by the ejection fraction allows distinguishing two different patient sets: one with and one other without ejection fraction alteration, respectively named Heart Failure with Reduced Ejection Fraction (HF-rEF) and Heart Failure with Preserved Ejection Fraction (HF-pEF). It is unknown if these two clinical presentations represent two different pathologies or two manifestations of the same clinical entity. HF-pEF is found in about 40-50% of patients with heart failure and its evolution is similar to that of patients with HF-rEF.However, several conceptual difficulties deal with the HFpEF: on one hand, talking about preserved ejection fraction implies the knowledge of its basal value; on the other, the normality needs to be established. Moreover, considering the heart either as a hemodynamic pump or as a muscular pump may modify the understanding of HFpEF physiopathology.We therefore set up a swine model of diastolic dysfunction with preserved ejection induced by chronic hypertension, which was obtained by continuous perfusion of angiotensin II during 28 days. In these conditions, we clearly demonstrated a LV function impairment, while the ejection phase parameters remained preserved. The LV impairment is demonstrated by: 1) the paradox increase of the relative durations of isovolumic contraction and relaxation; 2) the blunted responses of the isovolumic phases of cardiac cycle to heart rate augmentation and cardiac inotropisme; 3) a straight relationship between these two isovolumic phases (contraction-relaxation relationship).The mismatch between the heart rate and the isovolumic phases behaviour led us to investigate the possible effects of the heart rate pharmacological modulation on the contraction-relaxation coupling. The selective reduction of the heart rate by ivabradine administration (a selective If channel inhibitor) was able to significantly reduce the isovolumic contraction and relaxation phases' durations, thus improving filling phase dynamics. Anyway, this “normalisation” was only apparent, because the contraction to relaxation ratio was increased at day 28, to the detriment of the isovolumic contraction.In conclusion, chronic hypertension induces a diastolic dysfunction with a preserved ejection fraction paralleled by a systolic dysfunction which is responsible of a blunted myocardial response to stress.

Le syndrome métabolique (SM) est associé avec une augmentation du risque de survenue d’évènements cardiovasculaires et plus particulièrement d’insuffisance cardiaque à fraction d’éjection préservée (ICFEp). L’ICFEp représente environ 50% des IC totales, cependant, à ce jour, aucun traitement n’a permis de diminuer significativement la mortalité. L’ICFEp associée au SM, bien que d’origine multifactorielle, est caractérisée par une activation du système endothélinergique, une surexpression du récepteur minéralocorticoïde ainsi qu’une dysfonction mitochondriale participant à l’établissement et au maintien de la pathologie. Nous avons évalué dans trois études distinctes les effets à court-terme (1 semaine) et long-terme (3 mois) de trois médicaments ciblant ces systèmes biologiques, sur les dysfonctions cardiovasculaires observées dans un modèle d’ICFEp associée au SM, le rat Zucker fa/fa. Ainsi nous avons utilisé un antagoniste des récepteurs de l’endothéline, le macitentan, un antagoniste du récepteur minéralocorticoide, la finérénone, ainsi que d’une molécule diminuant la dysfonction mitochondriale, l’iméglimine. Dans les trois études à court-terme nous avons retrouvé une amélioration de la dysfonction diastolique, une augmentation de la perfusion cardiaque ainsi qu’une restauration de la relaxation coronaire endothélium dépendante. Ces améliorations étaient associées à une diminution de la production d’espèces réactives de l’oxygène au niveau du ventricule gauche. Dans les trois études à long-terme nous avons obtenus les mêmes résultats sur les fonctions vasculaire et cardiaque avec au niveau structurel une diminution du collagène interstitiel cardiaque. La production d’espèces réactives de l’oxygène était également diminuée avec les trois traitements Cette étude montre que, dans un modèle d’ICFEp associée au SM, le blocage des récepteurs de l’endothéline ou du récepteur minéralocorticoide, ou la prévention de la dysfonction mitochondriale permettent d’améliorer les dysfonctions cardiaque et vasculaire probablement via une diminution du stress oxydant / Metabolic Syndrome (MS) is associated with an increase in cardiovascular adverse events and specifically with heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF). HFpEF represents up to 50% of HF however, no treatment effective on mortality has been yet identified. MS related-HFpEF is a multifactorial syndrome in which an increase in endothelin signaling, in mineralocorticoid receptor activation as well as mitochondria dysfunction is found and participate to the pathology. The present goal of the thesis was to evaluate in three different projects the effects of short- (1 week) and long-term (3 months) treatments, each targeting one of these biological systems, on cardiovascular dysfunction observed in a rat model of MS associated HFpEF. We have chosen the endothelin receptors antagonist macitentan, the mineralocorticoid receptor antagonist finerenone and the new glucose-lowering agent imeglimin. Our results clearly show after the short-term studies an improvement in diastolic dysfunction, an increase in myocardial perfusion as well as restoration of endothelium-dependent coronary relaxation with the 3 treatments. All these improvements were associated with a decrease in left ventricular (LV) reactive oxygen species production (ROS). We obtained the same results after the long-term studies with a decrease in LV interstitial collagen deposition. ROS production was also decreased with the 3 components. This study clearly shows that in a rat model of MS related-HFpEF, blocking endothelin receptors or mineralocorticoid receptors as well as preventing mitochondrial dysfunction is associated with an improvement in cardiac and vascular dysfunctions. These improvements probably involve, among other mechanisms, a decrease in oxidative stress.