amélioration de l'index thérapeutique des tumeurs pulmonaires de stade précoce: rôles des cellules club dans le développement de la fibrose radique pulmonaire

Amelioration of therapeutic index of early stage lung tumors: roles of club cells in radiation-induced pulmonary fibrosis

• Auteur / Autrice : Sarmini Bavananthan
• Direction : Agnès Francois
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du Cancer
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cancérologie, Biologie, Médecine, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de radiobiologie des expositions médicales (LRMed)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté de médecine

Mots clés

Mots clés libres

Irradiation stéréotaxique

Poumon

Cellules club

Naphtalène

Sarrp

Stereotactic irradiation

Lung

Club cells

Naphtalene

Sarrp

Résumé

La radiothérapie en conditions stéréotaxiques (SBRT, Stereotactic Body Radiation Therapy) est l'alternative thérapeutique de choix pour les patients atteints de cancer bronchique primitif de stade localisé et médicalement inopérables. Elle permet un contrôle local de plus de 90% à 3 ans. Le principe de l'irradiation stéréotaxique est d'utiliser des mini-faisceaux convergeant au volume cible, avec une précision balistique qui réduit considérablement le volume de tissus sains irradiés et permet la mise en place de protocoles en hypofractionnement sévère avec l'utilisation de très fortes doses par fraction (doses dites ablatives, de 6 à 20 Gy par fraction). Néanmoins, malgré la qualité du ciblage, les patients développent des effets secondaires pulmonaires (pneumopathie radique de type inflammatoire ou fibreux). Les mécanismes cellulaires et moléculaires d'initiation et de progression des lésions pulmonaires induites par de fortes doses de radiations ionisantes, sur de très faibles volumes, restent encore mal connus. L'épithélium broncho-alvéolaire est composé de différents types cellulaires assurant les différentes fonctions de barrière physique, respiration, défense immunitaire et détoxification. L'épithélium ne présente pas de compartiment souche défini mais certaines cellules, suite à un trauma, peuvent acquérir des propriétés d'auto-renouvellement et participer à la régénération épithéliale. C'est le cas des cellules club, cellules non ciliées présentes en particulier au sein de l'épithélium bronchiolique. Les cellules club jouent un rôle dans la détoxification des poumons via l'expression de grandes quantités de cytochrome P450 et de protection physique de l'épithélium via la sécrétion de CCSP (club cell secretory protein ou utéroglobine). Les cellules club participent également au renouvellement et à la reconstruction de l'épithélium broncho-alvéolaire en acquérant des capacités d'auto-renouvellement mais également en étant capables de générer des cellules en goblet, des cellules ciliées et des pneumocytes de type I et II (1). Ainsi, de nombreux patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) présentent une déficience en CCSP. De même, les souris génétiquement déficientes en CCSP développent des dommages pulmonaires très sévères dans des modèles précliniques de fibrose pulmonaire tels que l'instillation de bléomycine. En revanche, certaines études montrent que les cellules club peuvent également participer à certains processus physiopathologiques. Par exemple, la déplétion spécifique des cellules club par injection de naphtalène protège contre les lésions pulmonaires dans le même modèle de fibrose pulmonaire induite par la bléomycine chez la souris (2). Enfin, un sous-type particulier de cellules club, les broncho-alveolar stem cells (BASC), assurerait des fonctions de cellules souches et serait capable de régénérer l'épithélium bronchiolique après trauma, en produisant différents types cellulaires en plus des cellules club comme les pneumocytes de type I et II et les cellules ciliées (3). Les BASC font l'objet de nombreuses recherches ces dernières années et pourraient représenter un axe de compréhension des mécanismes et une orientation thérapeutique nouvelle dans plusieurs pathologies pulmonaires, à la fois stériles comme la BPCO ou la fibrose idiopathique, ou non stériles comme l'infection par le virus influenza par exemple. Enfin, très récemment des travaux ont démontré chez les cellules club un rôle immunomodulateur, inhibant les cellules myéloïdes immunosuppressives et augmentant ainsi l'immunité anti-tumorale. Ce rôle des cellules Club pourrait favoriser le bénéfice thérapeutique des associations radiothérapie/immunothérapie (4). Les données sur les rôles joués par les cellules club dans la réponse du poumon aux rayonnements ionisants sont rares. Grâce à ces modèles de SBRT chez la souris, nous avons pu montrer que l'exposition à des doses, uniques ou fractionnées, suffisantes pour générer de la fibrose pulmonaire était associée à une diminution importante du nombre de cellules club au sein de la lésion focale. Les modifications importantes du nombre de cellules club suggèrent que ces cellules pourraient impacter le développement des lésions radiques pulmonaires. L'objectif de ce projet de thèse sera d'étudier la réponse de l'épithélium broncho-alvéolaire après irradiation à fortes doses sur de faibles volumes chez la souris, et en particulier le rôle des cellules club dans le développement des lésions pulmonaires.

Stereotactic body radiation therapy (SBRT)is a therapeutic alternative for high surgical risk patients with early stage non small cell lung cancer. In the context of global tumor management, increasing the therapeutic index includes the amelioration of irradiation modalities and schedule to ensure effective tumor control but also the limitation of undesired side effects related to healthy tissues radiation exposure. Despite accurate tumor targeting and excellent tumor control provided by severe hypofractionated schedule used in lung SBRT, patient may develop radiation pneumonitis and radiation induced lung fibrosis, impacting the therapeutic index of such treatments. The knowledge of cellular and molecular processes implicated in lung response the exposure of limited volumes to ablative dosesof ionizing radiations are still sparse. The broncho-alveolar epithelium is composed of different cell types implicated in various physiological functions such as physical barrier, respiration, immune defense, and detoxification. There is no defined stem cell compartment in the broncho-alvolar epithelium, but some cells, in response to tissue trauma, may acquire self-renewing properties and participate to epithekal regeneration. This is the case for club cells, non-ciliated cells residing in the bronchiolic epithelium. Data concerning the role of club cells in the lung response to radiation exposure are sparse. Thanks to the construction of preclinical models of lung SBRT in the mouse, we recently showed that single or fractionated SBRT schedules inducing lung fibrosis were associated with severely reduced club cell numbers in the focal injured area. These important changes in club cell numbers suggest that these cells may have an impact on radiation-induced lung damage development. Finally, it has been recently demonstrated that club cells, via the expression of Sgbla1, a gene coding for uteroglobin (UGB), are able to inhibit immunosuppressive myeloïd cells thus increasing anti-tumor immunity. Club cells may thereby favor the efficiency of radiotherapy/immunotherapy combinations. The objective of the present project is to study bronchio-alveolar epithelial response to the exposure of small volumes to ablative doses of ionizing radiations in the mouse, with emphasis on the role of club cells in normal lung damage development. First of all, a model of temporary club cells depletion by naphthalene injection will be used. Focal lung irradiation will be realized at two different time points post-naphthalene injection, corresponding to the nadir of club cell numbers and to complete club cell repopulation, respectively. The consequences of club cells depletion on lung radiation damage development will be evaluated by the following of mice clinical status, lung CBCT imaging, histology, epithelial cells immunostaining and spectral cytometry analyses of different epithelial cells populations. Secondly, à precise analysis of epithelial cells populations will be realized by single cell RNAseq, with the opportunity t put in evidence potential emerging cell populations in the regenerating epithelium post-radiation exposure. Finally, a therapeutic approach will be considered by the administration of antiflammin-1 (AF-1). AF-1 is a synthetic peptide similar to GB. Intraperitoneal injection of AF-1 reduces bleomycin-induced lung fibrosis in the mouse. AF-1 also presents interesting anti-inflammytory properties, playing a role in several processes related to the response of normal tissues to ionizing radiations studied in our laboratory such as leukocytes/endothelium interactions or macrophages and fibroblasts activation. This therapeutic approach may help to a better understanding of the roles played by these processes in the development of lung radiation damage. Globally, a better knowledge of the mechanisms implicated in normal lung response to radiation exposure may allow to associate to the excellent tumor control provided by SBRT an optimal management of potential side effects and thus significantly ameliorate the therapeutic index.