Mécanisme de chimiorésistance dans les leucémies aiguës myéloïdes

Mechanisms of drug resistance in acute myeloid leukemia

• Auteur / Autrice : Pierre-Luc Mouchel
• Direction : Christian Récher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Cancérologie
• Date : Soutenance le 05/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique de Mas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Récher, Jean-Emmanuel Sarry, Didier Bouscary, Raphaël Itzykson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Peyron, Patrick Auberger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme -- Effets des médicaments

Mitochondries

Chimiothérapie anticancéreuse

Résistance aux médicaments

Leucémie aigüe myéloïde

Mots clés libres

Chimiorésistance

LAM

Anthracycline

Cytarabine

Dendrogenine A

Métabolisme

OxPHOS

Chemoresistance

AML

Anthracycline

Cytarabine

Dendrogenin A

Metabolism

OxPHOS

Résumé

L'amélioration du traitement des leucémies aigües myéloïdes (LAM) est un enjeu clinique majeur en raison du mauvais pronostic de cette maladie lié à un taux de rechute élevé. Pour comprendre les mécanismes de chimiorésistances des cellules leucémiques résiduelles, notre équipe a préalablement développé un modèle murin immunodéficient de xénogreffes (souris NOD/LtSz-scid IL2Rƴchainnull ou NSG) à partir d'échantillons de patients recrutés à l'Institut Universitaire du Cancer de Toulouse Oncopole (IUCT-O) et au sein du réseau régional de cancérologie de Midi Pyrénées (Oncomip). Une autre équipe du Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse a récemment mis en évidence l'existence d'un stérol aux propriétés anti-leucémiques, la dendrogenine A (DDA). Issu de la conjugaison du 5,6 époxyde de cholestérol et l'histamine, il s'agit du premier métabolite naturel appartenant à une nouvelle classe de stérols (aminoalkyloxysterols). Il a récemment été découvert que la DDA induit la mort des cellules leucémiques à travers l'induction d'une autophagie de mort médiée par l'activation du récepteur nucléaire LXRß et par l'inhibition de la cholesterol epoxyde hydrolase (ChEH). La DDA, via son action modulatrice du récepteur LXRß, va induire la réexpression de deux facteurs de transcription, NR4A1 et NR4A3, qui ont été décrits comme étant des facteurs suppresseurs de tumeur dans la LAM. La cytarabine (AraC) et les anthracyclines demeurent le traitement de référence des LAM. L'objectif de la première partie de mon projet doctoral a donc été de tester in vitro mais également in vivo dans notre modèle murin l'effet de l'association de la DDA avec les deux classes cytotoxiques clefs du traitement des LAM. Cette première étude a ainsi permis de découvrir que la DDA sensibilise in vitro et in vivo les cellules de LAM à l'AraC par le biais d'un changement du type d'autophagie faisant basculer cette dernière de protectrice avec l'AraC à mortelle via la modulation de LXRß. Concernant les anthracyclines, la DDA va moduler l'efflux de la daunorubicine et potentialiser les dégâts de l'ADN induit par l'idarubicine, bien qu'elle ne possède aucune propriété génotoxique. Parallèlement à cet effet, l'association aboutit à l'inhibition de la voie AKT/mTOR et à l'activation conjointe de la voie JNK, induisant une autophagie non plus protectrice permettant la réparation des dégâts de l'ADN mais une autophagie incontrôlée menant à la mort cellulaire. Nous avons également démontré que cette potentialisation de la cytotoxicité de l'AraC et des anthracyclines ne s'opérait pas dans les cellules mononuclées issu du sang de donneurs sains ni dans les cellules hématopoïétiques murines mais uniquement dans les blastes leucémiques. La deuxième partie de mon travail de thèse a porté sur l'étude des mécanismes de résistance in vitro et in vivo à l'idarubicine (IDA). Nous avons réussi à développer un nouveau modèle de PDX avec une dose cliniquement pertinente d'IDA. Cette deuxième étude a ainsi montré que l'idarubicine induisait une diminution du métabolisme mitochondrial (OxPHOS) via un blocage de l'adapation mitochondriale dû à une inhibition de l'expression de ATF4. Comme nous avons précédemment montré que la résistance à l'AraC était due à une stimulation de l'OxPHOS et de l'oxydation des acides gras (FAO), nous avons pu montrer que la baisse du status OxPHOS et l'inhibition de la FAO induites par l'IDA s'accompagnent d'une sensibilisation à l'AraC. En résumé, mes travaux de doctorat montrent que les deux principaux agents cytotoxiques utilisés dans les LAM induisent des changements métaboliques et mitochondriaux majeurs qui peut en partie expliqué leur synergie.

Improving the treatment of acute myeloid leukemia (AML) is a major clinical challenge due to the poor prognosis of this disease caused by a high relapse rate. Describing and understanding the behavior of residual and chemoresistant AML cells is at the heart of my thesis project. To achieve this objective and discover innovative therapeutic targets with the aim of destroying these cells responsible for the relapse, the team has previously developed an immunodeficient mouse model of xenografts (NOD / LtSz-scid IL2Rƴchainnull or NSG mice) from samples of patients recruited at the Toulouse Oncopole University Cancer Institute (IUCT-O). Another CRCT (Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse) team has recently demonstrated the existence of a sterol with anti-leukemic properties, the Dendrogenin A (DDA). Derived from the conjugation of 5,6 cholesterol epoxide and histamine, it is the first natural metabolite belonging to a new class of sterols (aminoalkyloxysterols). Found in most healthy tissues, DDA is not or very little expressed in cancerous tissue, especially AML. It was recently discovered that DDA induces the death of AML cells through the induction of autophagic cell death mediated by activation of the nuclear receptor LXRß and the inhibition of cholesterol epoxyde hydrolase (ChEH). DDA, via its modulating action of the LXRß receptor, induces the re-expression of two transcription factors NR4A1 and NR4A3 which have been described as being tumor suppressor factors in AML. Cytarabine (AraC) and anthracyclines remain the gold standard treatment for AML. The objective of the first part of my doctoral project was to test in vitro and in vivo in our mouse model the effect of the association of DDA with these two cytotoxic agents. This study showed that DDA sensitizes AML cells to AraC in vitro and in vivo through the switch from a protective to a deadly autophagy via the modulation of LXRß. Furthermore, DDA also potentiated the anti-leukemic effect of anthracyclines, but in different ways although still in a LXRß-dependent manner. DDA modulated the efflux of daunorubicin and enhanced the DNA damage induced by idarubicin (IDA), although it has no genotoxic properties by itself. In parallel to this effect, the association led to the inhibition of the AKT/mTOR pathway and the activation of the JNK pathway, inducing an autophagy no longer protective which allows the repair of DNA damage but an uncontrolled autophagy leading to the cell death. We have further demonstrated that this potentiation of AraC and anthracycline cytotoxicity did not occur in PBMCs from healthy donors or murine hematopoietic cells. Otherwise, our team previously showed that the resistance to AraC was driven by hight mitochondrial oxidative metabolism (OxPHOS), associated with an increase in ROS production, TCA cycle metabolites, fatty acid oxidation (FAO) and mitochondrial ATP production. The second part of my thesis focused to study the mechanisms of resistance in vitro and in vivo to IDA, and to determine whether these was also dependent on OxPHOS status. We developed a new PDX model with a clinically relevant dose of IDA to characterize IDA-residual cells. This study thus showed that IDA induced a decrease in OxPHOS status unlike AraC. This inhibition of OxPHOS is due to the capacity of IDA to block the expression of ATF4 and counteract the mitochondrial adaptation in AML. As we have previously showed that AraC-residual cells are high OxPHOS, we demonstrated that the blockage of OxPHOS by IDA is further accompanied by the enhancement of AraC effect. In brief, my PhD work shows that the two main cytotoxic agents used for AML treatment induce opposed mitochondrial changes that might partly explain their synergy.