Le traitement du mélanome métastatique est longtemps resté cantonné à quelques chimiothérapies cytotoxiques à efficacité limitée. Récemment, le développement des immunothérapies et des thérapies ciblées a constitué une avancée majeure dans la prise en charge du mélanome. La découverte de mutations oncogéniques sur les voies de signalisation de la cellule tumorale a permis de définir de nouvelles cibles pour le développement d’ inhibiteurs pharmacologiques. Parmi ces mutations, la mutation BRAF V600E est présente dans 50% des mélanomes. Une des molécules anti-BRAF développée est le vémurafenib. L’efficacité de cette molécule a permis l’allongement de la durée de survie des patients en situation métastatique de 6 à 8 mois. Malheureusement, malgré la réponse initiale, l’échappement est la règle. Les mécanismes moléculaires responsables de la résistance acquise aux inhibiteurs de BRAF sont multiples et conduisent à l’activation de nombreuses voies de signalisation pour suppléer l’inhibition de BRAF. Actuellement la prise en charge des patients résistants aux inhibiteurs de BRAF n’est pas codifiée et s’avère complexe étant donné la multiplicité des mécanismes d’échappement. Dans le cadre de cette nouvelle approche de médecine personnalisée, de nouveaux outils doivent être développés dans le but (i) de tester l’efficacité de nouvelles molécules et (i) de tenter de prédire l’efficacité/la résistance des différents traitements disponibles. L’un de ces outils sont les xénogreffes de tumeurs issues directement des patients (Patient Derived Tumor Xenograft ou PDTX) ou « avatars ». Mon travail a consisté à mettre en place ce type d’outil pour répondre aux questions suivantes : Les modèles animaux développés sont-ils un bon modèle préclinique translationnel ? Permettent-ils d’étudier les modes d’action des nouvelles thérapies ciblées et d’explorer leurs mécanismes de résistance ? Si tel est le cas, peuvent-ils prédire une réponse clinique ? Différents modèles murins de xénogreffes de mélanome ont été mis au point et exploités. Des cellules tumorales puis des fragments de tumeurs ont été greffées en sous-cutané chez la souris immunodéficiente SCID. Les tumeurs ont été caractérisées en histologie et en biologie moléculaire pour montrer leur stabilité dans le modèle. Après plusieurs passages dans différentes générations de souris, les tumeurs conservent leurs mutations particulières. Par ailleurs différents traitements ont été administrés et la réponse à différentes stratégies thérapeutiques a été évaluée. Ce modèle nous a permis de valider l’efficacité des thérapies ciblées antiBRAF (vémurafenib) mais aussi d’autres approches visant les particularités métaboliques du mélanome. Le modèle avatar a permis de tester in vivo une association thérapeutique innovante qui associe un accélérateur de la phosphorylation mitochondriale, le DCA, et une molécule pro-oxydante, l’elesclomol, confirmant l’effet synergique obtenu in vitro. Par ailleurs l’elesclomol a pu être testé in vivo sur une tumeur devenue résistante à l’inhibiteur de BRAF, le vemurafenib. En outre, le modèle avatar constitue un bon modèle préclinique permettant d’aider directement le clinicien dans ses choix thérapeutiques. En effet nous avons réalisé une PDTX tout au long de l’évolution métastatique d’une patiente. Cette PDTX a permis de tester l’efficacité du vemurafenib et de réintroduire ce traitement à la patiente qui a pu bénéficier d’une amélioration clinique notable. 7 autres PDTX de patients ont été développées permettant de renforcer le modèle et de suivre de manière personnalisée le traitement de ces patients.Grâce à ce travail, nous définissons la place que peuvent prendre les avatars dans la prise en charge actuelle du mélanome métastatique. Ces modèles donnent une réponse précoce quant à leur résistance et aux alternatives thérapeutiques de seconde ligne. / For a long time the standard treatment for metastatic melanoma has been confined to a few cytotoxic chemotherapies with limited efficacy. Recently, the development of immunotherapies and targeted therapies represents major headways in melanoma care management. The discovery of oncogenic mutations on the signaling pathways of the tumor cell allowed the definition of new targets for developing inhibitor drugs. Among these mutations, BRAF V600E is seen in 50% of all melanomas. Vemurafenib is one of the anti-BRAF molecules recently developed. It has shown its efficacy with metastatic patients showing a survival increased by 6 to 8 months. Unfortunately, in spite of the initial positive reaction, the development of a resistance mechanism is ineluctable. There are numerous molecular mechanisms responsible for the acquired resistance to BRAF inhibitors which activate numerous signaling pathways to make up for the BRAF inhibition. Today, there are no standards of care for patients who become resistant to BRAF inhibitors. In the framework of this new personalized care approach, new tools must be developed to (i) test the efficacy of new molecules and (ii) try to predict the efficacy/resistance of the various treatments available. One of these tools is the Patient Derived Tumor Xenograft or PDTX, i.e. xenografts from tumors directly harvested on patients.My work consisted in implementing this type of tool to try and bring an answer to the following questions: Are the developed animal models a good tool for preclinical cross-sectional studies? Can they help study the action modes of new targeted therapies and explore their resistance mechanisms? If this is the case, can they predict a clinical response? Various murine models of melanoma xenografts have been designed and used. Tumor cells and later on tumor fragments were grafted subcutaneously in immunosuppressed SCID mice. Tumors were characterized in histology and molecular biology to show the stability of the model. After several passages in various generations of mice, the tumors retain their specific mutations. Furthermore, various treatments have been administered and the answers to the various therapeutic strategies have been evaluated. This model allowed us to validate the efficacy of antiBRAF targeted therapies (vemurafenib) but also other approaches targeting the metabolic characteristics of melanoma. This avatar model enabled to test in vivo an innovating therapeutic combination, associating an accelerator of oxidative phosphorylation, DCA, to a pre-oxidative molecule, elesclomol, validating the synergic effect obtained in vitro. Furthermore, elesclomol was tested in vivo on a tumor which became resistant to BRAF, vemurafenib. Furthermore, PTDX is a good preclinical tool to guide clinicians in their therapeutic choices. In fact we were able to develop a PDTX during the entire metastatic progression of a patient. This PDTX enabled us to test the efficacy of vemurafenib and reintroduce the treatment to the patient, who showed noticeable clinical improvements. Seven other PDTX were developed in order to reinforce the model and follow, in a personalized manner, the treatment of these seven patients. Thanks to this work, we are able to define the role of avatars in the care management of metastatic melanoma. These models give an early answer regarding tumor resistance and alternative second-line therapies.

La leucémie myéloïde chronique (LMC) est une transformation maligne d'une cellule souche hématopoïétique, caractérisée par une anomalie génétique acquise : le chromosome Philadelphie (Ph), résultant de la translocation réciproque t(9 ;22)(q34 ;q11), et son équivalent moléculaire, l'oncogène BCR-ABL. La protéine BCR-ABL présente une activité tyrosine kinase constitutive qui agit sur les voies de survie et de prolifération. La progression de la maladie vers la phase accélérée puis blastique s'accompagne d'anomalies génétiques additionnelles marqueurs d'une instabilité génomique croissante. La responsabilité de BCR-ABL dans la genèse de cette instabilité génomique est fortement suspectée. Dérivé de 2-phénylamino-pyrimidines, l'Imatinib inhibe l'activité tyrosine kinase de BCR-ABL ainsi que la prolifération de lignées cellulaires BCR-ABL positives et induit leur apoptose. Les échecs du traitement par l'Imatinib sont dus à des mécanismes de résistance qui ne sont pas tous entièrement caractérisés. Des nouveaux inhibiteurs de tyrosine kinases (ITKs) ou des associations avec l'Imatinib ont été développés afin de la surmonter. Cependant, une résistance croisée et multiple demeure difficile à traiter et nécessite une meilleure compréhension des mécanismes de résistance afin d'éradiquer la maladie dans un avenir proche. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont montré que la présence de microremaniements génétiques (traduisant une instabilité) au sein de progéniteurs leucémiques CD34+ de patients traités par l'Imatinib corrélait avec la perte de réponse à l'Imatinib chez les patients diagnostiqués en phase chronique, suggérant que la résistance à l'Imatinib pourrait être corrélée aux altérations génétiques survenant précocement dans la physiopathologie de la maladie. 113 gènes affectés ont été détectés dont certains sont localisés dans des régions connues pour être hypervariables (CNV) suggérant un rôle de ces régions dans le développement de la LMC ou la résistance à l'Imatinib. Nous avons mis en évidence la présence d'une anomalie acquise récurrente dans telle région localisée en 8p23.1 qui groupe les gènes de la famille de la Défensine B. Ce microremaniement n'est pas lié à la résistance à l'Imatinib car il est retrouvé dans les populations cellulaires CD34+ Ph+ et Ph-, il peut donc être considéré comme un marqueur de l'instabilité d'une sous-population cellulaire clonale de CD34+ présentant une grande prédisposition à acquérir des altérations génétiques additionnelles, comme la fusion BCR-ABL. Nos études montrent que des altérations secondaires pourraient être le support d'une résistance à l'Imatinib. La résistance à l'Imatinib peut alors être liée à la dérégulation des voies de signalisation en amont ou en aval de BCR-ABL, affectant ainsi la prolifération, la survie, la différenciation et l'intégrité du génome. Il semble donc que le traitement par l'Imatinib seul ne soit pas suffisant pour éradiquer la maladie. Pour cette raison, de nouvelles molécules à associer avec l'Imatinib sont actuellement en cours d'évaluation. Parmi ces associations, les inhibiteurs de la voie Ras ont montré une certaine efficacité dans la restauration de l'activité proapoptotique de l'Imatinib. Il était donc intéressant de chercher une cible thérapeutique régulant négativement cette voie afin de surmonter cette résistance. GILZ (Glucocorticoid-Induced Leucine Zipper) inhibe la voie Ras/Raf par une interaction directe. Il inhibe également la voie NFκB dont certains antagonistes sont capables de surmonter la résistance à l'Imatinib. Nos résultats montrent, pour la première fois, que l'expression de GILZ est diminuée dans des lignées humaines ou murines exprimant BCR-ABL sensibles ou résistantes aux ITKs ainsi que dans les cellules dormantes résiduelles isolées d'un modèle cellulaire murin développé au laboratoire. L'expression forcée de GILZ dans ces lignées résistantes restaure la sensibilité à l'Imatinib. Nos résultats montrent que le mécanisme passe par une inhibition de la voie mTORC2/Akt Ser473. Elle est due à une interaction directe de GILZ avec mTORC2 permettant l'activation de FoxO3a et l'induction de l'expression de la protéine proapoptotique Bim. Dans ce système, GILZ augmente l'expression de Bim tandis qu'Imatinib, par ses effets "Off-target", diminue celle de Mcl-1 inversant ainsi le rapport des membres antiapoptotiques/proapoptotiques de la famille Bcl-2 et entrainant l'apoptose. Le traitement séquentiel par les glucocorticoïdes puis l'Imatinib induit l'apoptose de cellules souches de patients résistants par le même mécanisme, suggérant que la modulation de l'expression de GILZ pourrait représenter une nouvelle stratégie thérapeutique pour cibler les cellules leucémiques résistantes ou résiduelles. La régulation de la voie mTORC2/Akt Ser473 semble être d'une importance cruciale dans la survie des cellules BCR-ABL+, ainsi que dans la résistance aux ITKs. Parmi les gènes méthylés dans notre étude, on retrouve un gène impliqué dans la régulation de cette voie et qui code pour la phosphatase PHLPP (PH domain and Leucine rich repeat Protein Phosphatase) dont l'activité est de déphosphoryler la sérine 473 d'Akt favorisant son inactivation. Nos résultats montrent que la réexpression du variant 1 de cette phosphatase (PHLPP1) dans notre modèle murin de résistance restaure la sensibilité à l'Imatinib et que la répression de celui-ci n'est pas exclusivement due à l'activité tyrosine kinase de BCR-ABL, mais aussi à des modifications épigénétiques. Nos études ont permis d'identifier des gènes impliqués dans la résistance des LMC aux ITKs et de proposer de nouveaux traitements pour surmonter cette résistance en inhibant la voie Akt Ser473

Le glioblastome multiforme (GBM) est une tumeur primaire du cerveau dont le pronostic est très sombre, en raison de son caractère infiltrant, de la radiorésistance de ses cellules et de la faible biodisponibilité encéphalique des molécules chimiothérapeutiques. De plus, les cellules souches mésenchymateuses (MSC) de la moelle osseuse sont recrutées au site tumoral et supportent la néovascularisation et le microenvironnement inflammatoire. Ces cellules ont la capacité de se mobiliser et de migrer vers la tumeur, en plus de s'adapter aux conditions hypoxiques tumorales. La métalloprotéase MT1-MMP est principalement responsable du phénotype migratoire des cellules de GBM et des MSC. Toutefois, le développement d'inhibiteurs de la fonction catalytique des métalloprotéases s'est révélé un échec en clinique et n'a pas réussi à améliorer la survie des patients atteints de GBM. De plus en plus d'évidences expérimentales démontrent de nouvelles fonctions non-protéolytiques des métalloprotéases et l'étude de ces fonctions permettra d'envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques. Considérant le rôle que joue le stress du réticulum endoplasmique (RE) dans l'induction de l'apoptose, que les cellules de GBM sont constitutivement stressées et surexpriment une grande quantité de MT1-MMP qui transit par le RE, nous avons émis l'hypothèse que MT1-MMP peut jouer un rôle de premier plan dans le contrôle de la balance survie/mort des cellules de GBM. De plus, considérant le recrutement des MSC au site tumoral hypoxique, leur migration en partie dépendante du domaine cytoplasmique de MT1-MMP et leur contribution à la progression tumorale du glioblastome, nous avons émis l'hypothèse que l'hypoxie et le facteur de transcription HIF-1 régulent l'expression de protéines de signalisation intracellulaires responsables de la signalisation par le domaine cytoplasmique de MT1-MMP et de la migration des MSC. Nos résultats documentent deux nouvelles fonctions non-protéolytiques associées à MT1-MMP. D'une part, l'inhibition pharmacologique du trafic vésiculaire ou la simulation des interactions avec la matrice extracellulaire impose un grand stress endoplasmique et stimule l'apoptose par la voie UPR, mais la répression génique de MT1-MMP permet de renverser ce stress et la signalisation pro-apoptotique qui en découle, mettant en évidence le rôle primordial de MT1-MMP dans ces processus. La balance entre les signaux pro- et anti-apoptotiques découlant de la voie UPR est finement régulée et MT1-MMP participe à cette « décision cellulaire ». Enfin, il existe un axe de signalisation HIF-1/MT1-MMP/3BP2, dans les MSC, qui leur permet de se mobiliser et de migrer. La protéine adaptatrice 3BP2, connue pour son rôle dans la mobilisation des cellules inflammatoires, joue le rôle de médiateur de la signalisation migratoire des MSC en aval de MT1-MMP, en réponse à l'hypoxie. En plus de ses fonctions catalytiques, la MT1-MMP est dotée de fonctions signalétiques dans le contrôle de la survie et de la migration cellulaire. Le ciblage de ces nouvelles fonctions signalétiques de MT1-MMP pourrait être une stratégie prometteuse pour le traitement du GBM. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : glioblastome, cellules souches mésenchymateuses, hypoxie, MT1-MMP, stress du réticulum endoplasmique.

Le traitement du mélanome métastatique est longtemps resté cantonné à quelques chimiothérapies cytotoxiques à efficacité limitée. Récemment, le développement des immunothérapies et des thérapies ciblées a constitué une avancée majeure dans la prise en charge du mélanome. La découverte de mutations oncogéniques sur les voies de signalisation de la cellule tumorale a permis de définir de nouvelles cibles pour le développement d' inhibiteurs pharmacologiques. Parmi ces mutations, la mutation BRAF V600E est présente dans 50% des mélanomes. Une des molécules anti-BRAF développée est le vémurafenib. L'efficacité de cette molécule a permis l'allongement de la durée de survie des patients en situation métastatique de 6 à 8 mois. Malheureusement, malgré la réponse initiale, l'échappement est la règle. Les mécanismes moléculaires responsables de la résistance acquise aux inhibiteurs de BRAF sont multiples et conduisent à l'activation de nombreuses voies de signalisation pour suppléer l'inhibition de BRAF. Actuellement la prise en charge des patients résistants aux inhibiteurs de BRAF n'est pas codifiée et s'avère complexe étant donné la multiplicité des mécanismes d'échappement. Dans le cadre de cette nouvelle approche de médecine personnalisée, de nouveaux outils doivent être développés dans le but (i) de tester l'efficacité de nouvelles molécules et (i) de tenter de prédire l'efficacité/la résistance des différents traitements disponibles. L'un de ces outils sont les xénogreffes de tumeurs issues directement des patients (Patient Derived Tumor Xenograft ou PDTX) ou " avatars ". Mon travail a consisté à mettre en place ce type d'outil pour répondre aux questions suivantes : Les modèles animaux développés sont-ils un bon modèle préclinique translationnel ? Permettent-ils d'étudier les modes d'action des nouvelles thérapies ciblées et d'explorer leurs mécanismes de résistance ? Si tel est le cas, peuvent-ils prédire une réponse clinique ? Différents modèles murins de xénogreffes de mélanome ont été mis au point et exploités. Des cellules tumorales puis des fragments de tumeurs ont été greffées en sous-cutané chez la souris immunodéficiente SCID. Les tumeurs ont été caractérisées en histologie et en biologie moléculaire pour montrer leur stabilité dans le modèle. Après plusieurs passages dans différentes générations de souris, les tumeurs conservent leurs mutations particulières. Par ailleurs différents traitements ont été administrés et la réponse à différentes stratégies thérapeutiques a été évaluée. Ce modèle nous a permis de valider l'efficacité des thérapies ciblées antiBRAF (vémurafenib) mais aussi d'autres approches visant les particularités métaboliques du mélanome. Le modèle avatar a permis de tester in vivo une association thérapeutique innovante qui associe un accélérateur de la phosphorylation mitochondriale, le DCA, et une molécule pro-oxydante, l'elesclomol, confirmant l'effet synergique obtenu in vitro. Par ailleurs l'elesclomol a pu être testé in vivo sur une tumeur devenue résistante à l'inhibiteur de BRAF, le vemurafenib. En outre, le modèle avatar constitue un bon modèle préclinique permettant d'aider directement le clinicien dans ses choix thérapeutiques. En effet nous avons réalisé une PDTX tout au long de l'évolution métastatique d'une patiente. Cette PDTX a permis de tester l'efficacité du vemurafenib et de réintroduire ce traitement à la patiente qui a pu bénéficier d'une amélioration clinique notable. 7 autres PDTX de patients ont été développées permettant de renforcer le modèle et de suivre de manière personnalisée le traitement de ces patients.Grâce à ce travail, nous définissons la place que peuvent prendre les avatars dans la prise en charge actuelle du mélanome métastatique. Ces modèles donnent une réponse précoce quant à leur résistance et aux alternatives thérapeutiques de seconde ligne.