Cytotoxicité sélective : rôle des mitochondries et du statut énergétique

Selective cytotoxicity : role of mitochondria and energy status

• Auteur / Autrice : Alaa Al Assi
• Direction : Eric Fontaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 27/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de bioénergétique fondamentale et appliquée (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Uwe Schlattner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carina Prip-Buus, Michel Rigoulet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Emmanuel Sarry, Timothy Wai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mort cellulaire

Biguanides

Mots clés libres

Biguanides

Sélectivité

Mort cellulaire

Mitochondrie

Selectivity

Mitochondria

Cell death

Biguanides

Résumé

Il est maintenant reconnu que les mitochondries sont actives à différents stades de l'oncogenèse, ce qui laisse présager que le ciblage du métabolisme mitochondrial pourrait être une stratégie prometteuse pour traiter différents types de cancers, en particulier ceux chez qui la phosphorylation oxydative (OXPHOS) participe significativement au maintien du statu énergétique. La metformine, un médicament antidiabétique largement utilisé, présente des effets antitumoraux en inhibant le complexe I de la chaîne de transport des électrons (CTE). Cela a stimulé la recherche d'autres inhibiteurs du complexe I pour le traitement du cancer. Dans ce contexte, une nouvelle classe d'analogues chimiques ayant des propriétés anticancéreuses potentielles, appelés mitoselectines, a été criblée à partir d'une bibliothèque chimique et sélectionnée pour des tests plus approfondis. Dans cette étude, nous avons entièrement caractérisé les mécanismes d'action et la cytotoxicité des deux premiers membres de cette classe: MS-L6 et MS-L7. Nous avons démontré que MS-L6 et MS-L7 exercent un double effet mitochondrial: l'inhibition du complexe I et le découplage de l'OXPHOS. Nous avons montré que l’inhibition de l'OXPHOS médiée par les mitoselectines était partiellement compensée par une augmentation de la glycolyse. Malgré cela, ces effets mitochondriaux ont conduit à un effondrement énergétique et à un stress dans les cellules cancéreuses. Enfin, nous avons démontré que les deux mitoselectines exerçaient des effets cytotoxiques importants in vitro sur plusieurs lignées cellulaires cancéreuses. Ensuite, puisque les mitochondries jouent un rôle central dans la bioénergétique et le métabolisme hépatiques et sont connues pour être des médiateurs importants de l'hépatotoxicité induite par les médicaments, nous avons évalué les effets des deux mitoselectines sur les mitochondries hépatiques. Pour ce faire, nous avons testé les mécanismes d'action de MS-L6 et MS-L7 et leurs conséquences dans des hépatocytes primaires isolés du foie de rat. Nous avons rapporté que les mitosélectines inhibaient également le complexe I et l'OXPHOS découplée dans les hépatocytes, mais aucune toxicité apparente n'a été détectée dans ces cellules. Deux facteurs ont contribué à l'absence d'hépatotoxicité : (i) les deux mitosélectines avaient de faibles affinités pour les hépatocytes et (ii) les hépatocytes inactivaient efficacement les deux mitosélectines. Si l'on considère que les hépatocytes sont effectivement des cellules normales, cela peut suggérer que ces mitoselectines, comme l'indique leur acronyme, présentent une sélectivité différentielle dans le ciblage des cellules cancéreuses. Dans l'ensemble, cette étude présente deux molécules comme des candidats médicaments anticancéreux prometteurs, ce qui permet de mieux comprendre l'importance de cibler la bioénergétique mitochondriale par l'inhibition combinée de l'activité de l'ETC et le découplage de l'OXPHOS dans les cellules cancéreuses.

It has become increasingly clear that mitochondria are active at different stages of oncogenesis, heralding that targeting mitochondrial metabolism is a promising strategy for treating different types of cancers, especially those that rely on oxidative phosphorylation (OXPHOS). Metformin, a widely used antidiabetic drug, exhibits antitumorigenic effects by inhibiting complex I in the electron transport chain (ETC). This has spurred further research into additional complex I inhibitors for cancer treatment. In this context, a new class of chemical analogs with prospective anticancer properties, called mitoselectins, has been screened from a chemical library and selected for further testing. In this study, we fully characterized the mechanisms of action and cytotoxicity of the first two members of this class: MS-L6 and MS-L7. We demonstrated that MS-L6 and MS-L7 exerted dual mitochondrial effects: inhibition of complex I and uncoupling of OXPHOS. We showed that mitoselectins-mediated OXPHOS inefficiency was partly compensated by increased glycolysis. Nevertheless, these mitochondrial effects led to energy collapse and stress in cancer cells. Finally, we demonstrated that both mitoselectins exerted prominent cytotoxic effects in vitro in several cancer cell lines. Secondarily, since mitochondria play a pivotal role in hepatic bioenergetics and metabolism and are known to be important mediators of drug-induced hepatotoxicity, we evaluated the effects of both mitoselectins on hepatic mitochondria. To do so, we tested the mechanisms of action of MS-L6 and MS-L7 and their consequences in primary hepatocytes isolated from rat liver. We reported that mitoselectins also inhibited complex I and uncoupled OXPHOS in hepatocytes, but no apparent toxicity was detected in these cells. Two factors contributed to the absence of hepatotoxicity: (i) both mitoselectins had low affinities for hepatocytes and (ii) hepatocytes efficiently inactivated both mitoselectins. Considering that hepatocytes are indeed normal cells, this may suggest that these mitoselectins, as the acronym indicates, exhibit differential selectivity in targeting cancer cells. Taken together, this study presents two molecules as promising anticancer drug candidates, providing further insights into the importance of targeting mitochondrial bioenergetics through the combined inhibition of ETC activity and uncoupling of OXPHOS in cancer cells.