Décrypter les mécanismes moléculaires et cellulaires qui sous-tendent l'activité de radiosensibilisation de complexes métalliques : vers le développement de candidats médicaments pour améliorer la radiochimiothérapie pour le traitement du cancer.

Deciphering the molecular and cellular mechanisms underlying the radiosensitizing activity of metal complexes : Towards the development of drug candidates for improving chemoradiotherapy for cancer treatment.

• Auteur / Autrice : Deepanjan Ghosh
• Direction : Sophie Bombard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Frontières du vivant
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie et modélisation pour la biologie du cancer (Orsay, Essonne ; 2015-....) - Chimie et modélisation pour la biologie du cancer
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Gasser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Bombard, Gilles Gasser, François Boussin, Marie-Josèphe Giraud-Panis, Marie Dutreix, Anna Campalans
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Boussin, Marie-Josèphe Giraud-Panis

Mots clés

Mots clés libres

Improved radiotherapy

Metal complexes

Improved radiotherapy

DNA damaging agents

Improved radiotherapy

Telomeres targeting

DNA damaging agents

Improved radiotherapy

Résumé

Les radiosensibilisants sont des agents qui rendent les cellules cancéreuses plus sensibles à l'irradiation en ciblant leurs voies de réparation de l'ADN, la régulation du cycle cellulaire, la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), etc. Ils sont utilisés dans quelques types de radiothérapie. Certains de ces radiosensibilisants sont des ligands de l’ADN produisant des dommages à l’ADN tels que des complexes métalliques ou des ligands de structure G-quadruplex (G4). Pt-ctpy est un complexe de platine ligand de G4 qui a montré des propriétés de radiosensibilisation (RS) via un ciblage proposé des télomères. Par conséquent, nous avons essayé d’identifier les déterminants structuraux pour une RS (ligand G4 et/ou métal). Un criblage cellulaire de RS a donc été effectué, avec des complexes métalliques ligands ou non de G4 de trois séries, terpyridine, salphène et des complexes de platine N-hétérocycliques-Carbene (NHC-Pt) conjugués au ligand Pyridodicarboxamide PDC, ainsi que d’autres complexes de platine comprenant le cisplatine et des complexes NHC-Pt.Le potentiel RS de ces complexes a été testé à leurs concentrations subtoxiques combinées au rayonnement γ (IR) dans trois lignées de cellule différentes (ovaire, poumon et glioblastome). Seuls Pt-ttpy de la série des métal-terpyridines, 2 métal-salphènes (Ni et Cu) et 6 complexes NHC-Pt sont capables d'induire la RS dans les lignées cellulaires. La RS ne suit pas une relation d'activité de structure puisque, 1) tous les ligands métalliques de G4 et 2) tous les métaux n’induisent pas de RS. Les complexes Pt-NHC font l'objet d'un brevet pour leur structure et leur potentiel de radiosensibilisation.Des études mécanistiques ont été poursuivies pour le complexe ligand de G4, Pt-ttpy qui cible les télomères, se lie irréversiblement à l'ADN et induit également un dysfonctionnement mitochondrial. Les pré-requis pour son activité RS sont très différents de ceux des NHC-Pt et du cisplatine. Sa RS dépend du temps de pré-incubation qui a pu être corrélée à la quantité de Pt liée à l'ADN. La présence de Pt-ttpy post-irradiation est également indispensable suggérant que la réparation des dommages à l'ADN induits par l'IR peut être perturbée par la présence d’un adduit de Pt-ttpy. Cela a été corrélé à 1) un retard dans la réparation précoce et une augmentation des dommages à l'ADN jusqu'à 6 heures après irradiation 2) une faible augmentation des dommages aux télomères et 3) une diminution des cellules en phase G2-M aux premiers stades post-irradiation, suggérant une mauvaise réparation de l’ADN génomique et télomérique. La RS est également indépendante de la production de ROS et de la présence de dommages télomériques pré-irradiation.Tous les résultats nous amènent à émettre l'hypothèse d'un mécanisme d'action pour la RS de Pt-ttpy, principalement axé sur le retard de la réparation des dommages à l’ADN dus à l’IR. Nous proposons que lorsque l’adduit encombrant à l’ADN de Pt-ttpy, présent avant irradiation et formé après irradiation, est situé près des dommages à l'ADN induits par l’IR, il se forme un dommage à l’ADN complexe plus difficile à réparer et qui conduirait à la mort cellulaire.De plus, Pt-ttpy est également capable d'induire une chimio sensibilisation aux inhibiteurs de la signalisation « DNA Damage Response » (ATM, ATR, DNA-PK) et à un inhibiteur de PARP1, protéine impliquée dans plusieurs voies de réparation d’ADN, mettant en évidence sa valeur dans une approche chimio-thérapeutique combinatoire et l’implication des adduits de Pt-ttpy à l’ADN dans sa cytotoxicité.En conclusion, ce projet met en évidence de nouvelles propriétés pour le complexe métallique ligand de G4, Pt-ttpy, qui sont différentes de celles du cisplatine et de Pt-ctpy, ce qui ouvre la voie à une sélection de nouveaux complexes métalliques dotés de propriétés de ciblage radiosensibilisant, chimiosensibilisant et mitochondrial.

Radiosensitizers are drugs that can sensitize cancer cells to irradiation by targeting their DNA repair pathways, cell cycle regulation, reactive oxygen species (ROS) production, etc. Some of these radiosensitizers are DNA binding and damaging agents such as metal complexes or G-quadruplex (G4) binding ligands. Pt-ctpy is a platinum complex G4 ligand that was shown to cause radiosensitization (RS) via a proposed telomere targeting effect. Hence, we wondered if other metal-G4 complexes can produce RS and if it depended on their G4 binding properties or on their metal binding effect. Therefore, we screened three series of metal complexes from terpyridine, salphen series and the N-heterocyclic Carbene platinum complexes (NHC-Pt) conjugated with the Pyridodicarboxamid G4 ligand, NHC-Pt-PDC, as well as non-G4-binding platinum complexes including cisplatin and NHC-Pt complexes for their RS potential in 3 cancer cell lines – A2780 (ovarian), H1299 (Non-Small Cell Lung Carcinoma) and T98G (glioblastoma).The RS potential of these metal complexes were tested at their subtoxic concentrations combined with γ-radiation from Cs-137 source (IR). The results show that only Pt-ttpy in the metal-terpyridine series, 2 metal-salphen (Ni and Cu) and 6 NHC-Pt complexes non G4-ligands are able to induce RS in different cell lines. This indicates that the RS effect does not follow a structure activity relationship since, 1) not all G4 ligands induces RS and 2) Not any specific metal induces RS. The Pt-NHC complexes are currently undergoing a patent for their structure and their radiosensitization potential.The drug chosen for in depth mechanistic studies was the G4-binding complex Pt-ttpy that targets telomeres and irreversibly binds to DNA by coordination, leading to damaged bases and DNA double stranded breaks. Interestingly, Pt-ttpy also induces mitochondrial dysfunction without ROS formation, in a complete contrast from cisplatin activity. The requirements for its RS activity is quite different from the ones of NHC-Pt and cisplatin. RS depends on pre-incubation time that could be correlated to the amount of Pt bound to DNA which has been seen in the case of cisplatin as well. Pt-ttpy needs to be present post irradiation, hinting that the IR-induced DNA damage repair may be perturbed by the presence of Pt-ttpy DNA-adduct, in contrast to cisplatin. This has been correlated to 1) a delay in early DNA repair and an increase in DNA damage up to 6hrs post irradiation when treated with Pt-ttpy, and 2) a weak telomeric DNA damage and 3) a decrease of cells in G2-M phase in early stages post irradiation when treated with Pt-ttpy suggesting improper repair of the cellular genomic DNA. In contrast, cisplatin and other non RS inducing complexes do not show any of these features, suggesting a unique RS mechanism for Pt-ttpy. It is also devoid of ROS production (unlike cisplatin) and independent of telomere targeting pre-irradiation (unlike RHPS4 and Pt-ctpy).All the results lead us to hypothesize a mechanism of action for Pt-ttpy induced RS, mostly focused on the delay of IR-induced-DNA damage repair. We propose that the bulky Pt-ttpy-DNA adduct, when present before and formed after irradiation, is located near the IR-induced DNA damage inducing the formation of a complex DNA damage that is more difficult to repair and can lead to cell death.In addition, Pt-ttpy is also able to induce chemo sensitization for DNA Damage Response (DDR) signaling (ATM, ATR, DNA-PK) inhibitors and DNA damage sensor (PARP1) indicating its value in a combinatorial chemotherapeutic approach and also highlighting the involvement of Pt-ttpy DNA-adducts in its cytotoxicity. This project evidences new properties for the Pt-G4-binding drug Pt-ttpy, that are different from those of cisplatin and Pt-ctpy, which opens the window to a selection of new metal-complexes with radiosensitizing, chemosensitizing and mitochondrial targeting properties.