PTHrP and breast cancer

ARTICLE

Découverte de la PTHrP

Certains cancers possèdent une propension particulière à envahir l'os et le développement de métastases osseuses entraîne une diminution très importante de la qualité de vie en raison des douleurs, des fractures, du risque de compression médullaire ou de la survenue d'une hypercalcémie. En 1924, l'hypercalcémie est reconnue comme une complication métabolique des cancers [1] et elle est attribuée à l'ostéolyse locale métastatique qui libère du calcium dans l'organisme. Mais des cas d'hypercalcémies associées à un cancer sans lésion osseuse démontrée sont décrits. C'est pourquoi, en 1941, Albright avance l'hypothèse d'une possible sécrétion par la tumeur d'une substance responsable de l'hypercalcémie et le rôle de l'hormone parathyroïdienne (PTH) est proposé dans ces hypercalcémies humorales malignes (HHM) [2]. Cependant, au début des années 1970, le doute apparaît quant à la nature de l'hormone responsable de l'HHM [3]. Le niveau de PTH circulante dosé par RIA chez des patients présentant une HHM ne correspond pas au niveau trouvé chez les patients atteints d'hyper-parathyroïdie primaire ayant un taux de calcium plasmatique identique [4]. Il est alors démontré qu'il existe une substance dotée de propriétés « PTH-like » dont les effets sont inhibés par des antagonistes de la PTH, mais pas par des anticorps anti-PTH ; agissant sur les mêmes récepteurs que la PTH, cette substance apparaît immunologiquement différente [5]. Enfin, c'est en 1987 qu'est isolé, à partir de lignées cellulaires de cancers du poumon, du sein et du rein associées in vivo à des HHM, un facteur d'hypercalcémie présentant des analogies structurales dans son extrémité N-terminale avec la PTH, facteur dénommé PTHrP pour parathyroid hormone related protein [6-8].

Structure de la PTHrP

La PTHrP possède environ 60 % d'homologie avec les 13 premiers acides aminés de la PTH (8/13) et des similitudes de conformation de séquences. Son activité PTH-like est contenue dans les 34 premiers acides aminés. Seule la région aminoterminale est identique, les régions carboxyterminale et intermédiaire ne présentant pas d'homologie.

La PTHrP est le produit d'un gène unique présent sur le chromosome 12. Son gène est complexe avec 9 exons et 3 régions promotrices qui peuvent générer, par épissage alternatif des ARNm, plusieurs ARN transcrits. Au moins trois peptides matures contenant 139, 141 et 173 acides aminés, dont les 139 premiers sont communs, sont produits [9]. Les choix du promoteur et l'épissage alternatif semblent spécifiques des tissus et modulés par des facteurs externes comme des hormones, des facteurs de croissance [10].

Il existe de nombreux sites potentiels de clivage protéolytique post-traductionnel à l'intérieur de la même molécule et la PTHrP peut être clivée, dans les cellules qui la produisent, par des membres de la famille de pro-hormones convertases en plusieurs fragments. Cela suggère que la PTHrP est une poly-hormone, précurseur de multiples peptides biologiquement actifs. Plusieurs types d'activités biologiques dans la même molécule ont en effet été mis en évidence [11].

Les portions aminoterminales de la PTHrP et de la PTH ont des actions identiques par l'intermédiaire d'un récepteur commun qui fixe la partie aminoterminale avec la même affinité. La fixation au récepteur PTH/PTHrP entraîne une élévation de la calcémie en augmentant la résorption osseuse et en diminuant l'excrétion rénale du calcium.

La PTHrP peut de plus se fixer à d'autres récepteurs qui lui sont spécifiques et qui ne sont pas encore bien définis, par sa partie carboxyterminale (cerveau, peut-être os), intermédiaire (placenta) ou même aminoterminale. La fixation à ces récepteurs est responsable de ses activités autres que l'activité PTH-like. Elle pourrait peut-être même avoir des actions nucléaires directes (actions intracrines, muscle).

Rôles de la PTHrP

La PTHrP est connue depuis longtemps pour son action endocrine sur l'os et le rein, responsable d'HHM dans certains cancers où elle est produite en excès. Elle a également un rôle paracrine et autocrine dans le développement de métastases ostéolytiques, en particulier dans le cancer du sein. Dans les circonstances normales, elle est produite localement dans de nombreux tissus où elle est un effecteur essentiellement paracrine, en particulier dans le développement embryonnaire.

Physiologie de la PTHrP [12]

Contrairement à la PTH qui est produite uniquement dans les glandes parathyroïdes, la PTHrP est retrouvée dans de nombreux tissus du fœtus et de l'adulte : épithélia, tissus mésenchymateux, glandes endocrines, système nerveux central. Cette distribution répandue suggère une diversité de rôles. Des expériences chez la souris entraînant une mutation nulle du gène de la PTHrP et une surexpression localisée dans un tissu particulier ont permis d'établir les différents rôles physiologiques de la PTHrP. Une mutation nulle chez la souris (souris knockout ou KO) entraîne une mort rapide après la naissance avec un déficit sévère de développement du cartilage. Si la PTHrP est surexprimée seulement dans les cartilages, la souris ne meurt pas mais on observe un plateau de croissance prématuré, l'absence de développement des glandes mammaires et des dents, et des anomalies de la peau.

Le rôle physiologique de la PTHrP dans le cartilage est d'accélérer la croissance des cellules cartilagineuses et de s'opposer à leur progression vers un stade terminal différencié. La PTHrP est essentiellement sécrétée par la couche externe des chondrocytes : elle augmente leur prolifération et diminue l'apoptose et la maturation vers une différenciation terminale.

Sur le tissu osseux, sa surexpression in vivo entraîne une augmentation de la résorption osseuse, une hypercalcémie par augmentation de l'activité des ostéoclastes matures et de la différenciation préostéoclastique. Le fragment carboxyterminal entraînerait quant à lui, in vitro et in vivo, une diminution de la résorption, c'est pourquoi il est appelé ostéostatine. L'éruption des dents ne s'observe pas en l'absence de PTHrP mais leur formation est normale. Il semble que la PTHrP sécrétée par couche épithéliale de l'émail se fixe sur un récepteur osseux, active la résorption osseuse par les ostéoclastes, ce qui permet le passage des dents.

Au niveau du sein, la PTHrP est nécessaire au développement du rudiment épithélial mammaire. De plus, en période d'allaitement, elle est sécrétée en grande quantité par les cellules épithéliales glandulaires du sein et par les cellules myoépithéliales, ce qui pourrait être le signal responsable de l'adaptation du métabolisme calcique maternel au stress de la lactation. Elle est présente dans le sérum des femmes allaitant et, pendant la lactation, elle est sécrétée dans le lait en quantité environ 10 000 fois supérieure à celle du sérum. Son rôle dans le lait ne semble pas essentiel puisque les enfants nourris avec du lait artificiel sont en bonne santé.

Lors de la grossesse, pour être apporté au squelette du fœtus, le calcium est transporté à travers le placenta par une pompe qui maintient une plus forte concentration sérique calcique chez le fœtus que chez la mère. Ce gradient est aboli chez la souris KO. Le transport est restauré par le fragment de la région du milieu de la PTHrP, mais pas par le fragment aminoterminal, ni par la PTH.

Un site important de la production normale de PTHrP est l'épiderme. L'activation du gène de la PTHrP dans les kératinocytes épidermiques explique probablement la fréquence des hypercalcémies induites par la PTHrP chez des patients ayant des carcinomes épidermoïdes, qui dérivent de ce type de cellules. Le niveau d'expression de la PTHrP semble contrôler la taille du pool de kératinocytes basaux d'où les kératinocytes sont issus pour aller jusqu'à la différenciation terminale, la kératinisation et l'apoptose. Cela suggère qu'après la naissance, la PTHrP régule le trafic des cellules épidermiques.

Sur le follicule capillaire, des antagonistes de la PTHrP augmentent la phase de croissance. Chez la souris KO, la peau est excessivement kératinisée et les cheveux hirsutes, alors que, si la PTHrP est surexprimée au niveau de la peau, une alopécie est observée.

La PTHrP et ses récepteurs sont exprimés dans le système nerveux central. La PTHrP protégerait les neurones contre l'excitotoxicité induite par le glutamate et augmenterait la survie du neurone. Elle aurait peut-être un rôle de neuromédiateur.

Elle entraîne une dilatation des muscles lisses en se fixant sur son récepteur. Elle pourrait aussi avoir des actions nucléaires directes sur les muscles.

Malgré leur homologie de structure, la PTH et la PTHrP ont donc des rôles physiologiques différents. La PTH est une hormone circulante qui transporte des signaux des récepteurs calciques des glandes parathyroïdes à des tissus cibles lointains. La PTHrP, quant à elle, est un messager local dans les tissus. Elle a un rôle autocrine/paracrine dans le développement embryonnaire, la régulation de la croissance et de la différenciation de nombreux types cellulaires (os, cartilage, peau), le transport transépithélial du calcium au niveau du néphron, des glandes mammaires et du placenta, la relaxation des muscles lisses et éventuellement l'activité des neuromédiateurs.

PTHrP et cancers

L'hypercalcémie a été la première conséquence identifiée de la sécrétion de PTHrP par des tumeurs malignes et de son action sur les récepteurs communs PTH/PTHrP dans l'os et le rein. Les propriétés PTH-like de la PTHrP, et spécialement sa capacité à augmenter la résorption osseuse ostéoclastique et la réabsorption tubulaire rénale du calcium, sont responsables de l'hypercalcémie. La PTHrP a de plus un rôle significatif dans la physio-pathologie des métastases osseuses, en particulier dans les cancers du sein. Elle peut induire une ostéolyse locale près des métastases osseuses et favoriser leur progression.

PTHrP et hypercalcémie

L'hypercalcémie est probablement la complication métabolique la plus commune des maladies cancéreuses. Elle survient chez 5 à 10 % des patients ayant un cancer avancé, mais elle est plus fréquente en cas d'adénocarcinome du sein, de myélome multiple (environ 30 %) et de cancer épidermoïde (poumon, sphère ORL). Sans traitement, elle peut entraîner un dysfonctionnement du rein, du système nerveux central, du tractus gastro-intestinal... et la mort, par troubles du rythme cardiaque et insuffisance rénale aiguë.

Les hypercalcémies associées aux cancers ont été longtemps attribuées à la destruction de l'os par les métastases ostéolytiques. Mais, bien que souvent associées à une maladie métastatique osseuse, beaucoup sont dues à un relargage de facteurs systémiques, principalement la PTHrP, produits par les cellules tumorales. Il s'agit alors d'HHM.

Des expériences chez l'animal montrent que l'injection de cellules tumorales exprimant la PTHrP entraîne l'apparition d'une hypercalcémie humorale maligne. L'injection d'anticorps anti-PTHrP à ces animaux permet de diminuer considérablement le calcium sérique [13]. De même, l'injection de fragments synthétiques N-terminaux de la PTHrP entraîne une hypercalcémie chez l'animal.

Dans l'HHM, la PTHrP agit de façon endocrine sur l'os et le rein, par les mêmes mécanismes d'action que la PTH, en se fixant sur le même récepteur par sa partie N-terminale : stimulation de la résorption osseuse, de l'adénylate-cyclase rénale, diminution de la réabsorption rénale des phosphates, augmentation de la réabsorption tubulaire rénale du calcium. Mais, à la différence de l'hyperparathyroïdisme primaire qui est une maladie chronique bénigne, l'hypercalcémie des cancers, qui apparaît souvent brutalement, est sévère, de mauvais pronostic, avec une médiane de survie de seulement 3 mois.

La majorité des patients hypercalcémiques avec des tumeurs solides (60 à 100 % selon les études) ont un niveau détectable ou une augmentation de la concentration plasmatique de PTHrP, alors que celle-ci n'est pas détectable dans le plasma de sujets sains. Il est intéressant de noter que la même proportion de patients hypercalcémiques avec ou sans lésions ostéolytiques présente une augmentation de la concentration de PTHrP. Ainsi, la présence ou l'absence de métastases osseuses, qui permettait de distinguer les hypercalcémies humorales et ostéolytiques, ne peut plus être utilisée. Toutefois, le niveau de PTHrP est plus élevé dans les hypercalcémies sans métastase osseuse [14-15].

En plus de son action systémique, la PTHrP, sécrétée par les cellules métastatiques associées à des lésions ostéolytiques, peut entraîner une hypercalcémie due à un effet local. Elle n'a pas, dans ce cas, d'action sur l'AMP cyclique rénal.

Dans les cancers de la prostate, elle est détectée par immunohistochimie dans 100 % des cas et plus des deux tiers des patients développent des métastases osseuses ostéoblastiques. Pourtant, les cas d'hypercalcémies sont rares (< 2 %). In vitro, il est démontré que la PTHrP est clivée en plusieurs fragments par la PSA (prostatic specific antigen) avec abolition de la réponse fonctionnelle [16]. Cela pourrait expliquer l'absence d'hypercalcémie.

Différents dosages radio-immunologiques de la PTHrP se sont développés. Ils sont de type RIA ou IRMA, dirigés contre la partie aminoterminale, carboxyterminale et/ou du milieu de la molécule, avec une sensibilité de l'ordre de 0,1 à 1 pmol. Le prélèvement doit se faire impérativement en présence d'inhibiteurs de protéases. Le dosage le plus fréquent est celui de la protéine entière. Celui de la partie carboxyterminale, à la différence du dosage de la partie aminoterminale, est faussé en cas d'insuffisance rénale, le métabolisme des fragments C-terminaux dépendant de la clairance rénale ; il est donc moins spécifique des HHM.

Le profil biologique des HHM se traduit par une hypercalcémie et une hypophosphatémie, une augmentation de l'APMc urinaire, un taux bas ou effondré de PTH, une élévation très variable d'un patient à l'autre du taux de PTHrP, une alcalose, une baisse de l'ostéocalcine, l'absence d'élévation de la 1,25 (OH)₂ vitamine D... Les études sont contradictoires quant à la corrélation entre le taux de PTHrP et l'importance de l'hypercalcémie.

Le dosage de la PTHrP peut être utile lors de la mise en place d'un traitement de l'hypercalcémie associée à un cancer par les bisphophonates. Les bisphosphonates diminuent la résorption ostéoclastique en inhibant la fonction et le recrutement des ostéoclastes. Le micro-environnement osseux est alors moins fertile pour la croissance tumorale. Plusieurs études cliniques examinant les effets des bisphosphonates, en particulier du pamidronate, dans le traitement de l'hypercalcémie induite par une tumeur, ne trouvent peu ou pas de changement dans la concentration de PTHrP circulante, même après normalisation de la calcémie. Toutefois, le pronostic est moins bon quand les taux de PTHrP sont très hauts : la normocalcémie est de plus courte durée, nécessitant des doses augmentées et répétées de pamidronate. Le dosage de la PTHrP pourrait être ainsi un facteur prédictif de la réponse au traitement de l'hypercalcémie par les bisphophonates [17]. Cela peut s'expliquer par le fait que ces derniers, n'agissant pas sur le rein, ont moins d'effet, l'HHM étant surtout due à l'augmentation de la réabsorption rénale du calcium par la PTHrP. Certaines études montrent une différence significative de l'efficacité du traitement et de la réponse biochimique en fonction de la présence ou non de métastases osseuses, et ce, indépendamment de la calcémie initiale [18]. C'est pourquoi on peut conseiller dans le traitement de l'HHM d'associer au bisphosphonate un traitement par de la calcitonine IV, qui inhibe la réabsorption tubulaire rénale du calcium et s'avère calciurétique.

PTHrP et métastases osseuses

Le squelette est l'organe le plus communément atteint par les métastases dans les tumeurs solides et environ 80 % des personnes atteintes de cancer du sein et de la prostate développent des métastases osseuses. Les conséquences cliniques de l'envahissement du squelette par un cancer sont multiples : douleur, fractures, syndrome de compression nerveuse, hypercalcémie. Mais la présence de métastases osseuses signe aussi un processus malin incurable. En effet, quand il y a des cellules tumorales dans le squelette, la guérison est impossible et le traitement est seulement palliatif. Toutefois, dans le cancer du sein, lorsque la maladie reste confinée au squelette, le pronostic est meilleur que lorsqu'il y a des atteintes viscérales. Deux types de métastases osseuses sont observées : les métastases ostéocondensantes avec stimulation des ostéoblastes, comme dans le cancer de la prostate, et les métastases ostéolytiques avec stimulation des ostéoclastes, comme dans le cancer du sein.

L'os est un milieu favorable à la croissance des cellules tumorales : y sont présents de nombreux facteurs régulateurs de la croissance, principalement le TGFbeta (transforming growth factor), qui peuvent favoriser la croissance tumorale ou l'expression de facteurs ostéolytiques et être responsables du comportement agressif des cellules tumorales [19]. Des cytokines et des facteurs de croissance tels que le TGFbeta, l'IGFI (insulin-like growth factor), l'IGFII, le FGF (fibroblast growth factor), l'IL6 (interleukine 6), sont produits dans la moelle osseuse par des cellules de l'immunité, des cellules stromales, des ostéoblastes. Ils sont relargués lors de la résorption osseuse, formant un micro-environnement fertile, qui augmente la survie des tumeurs. L'ostéolyse assure les nutriments mais aussi l'espace indispensables à la croissance des métastases dans l'os. Des expériences chez l'animal ont montré, avec des cellules de cancer du sein, que la stimulation de la résorption osseuse dans des sites peu communs de métastases entraîne la formation de métastases osseuses et qu'au contraire, l'inhibition de la résorption osseuse s'accompagne d'une inhibition de ces métastases osseuses.

Les principaux acteurs de cette ostéolyse sont les ostéoclastes, et des ostéoclastes « actifs » sont invariablement trouvés à proximité des amas de cellules tumorales. Il est toutefois possible que les macrophages et les cellules tumorales aient un rôle dans une destruction osseuse directe, mais ce rôle est controversé. En tout cas, il est clair que la production locale de facteurs par les cellules tumorales ou de l'immunité entraîne une augmentation de l'activité ostéoclastique. Les principaux facteurs ostéolytiques sont la PTHrP, les interleukines (IL1, IL6, IL11) et les tumor necrosis factor (TNFbeta et alpha).

Les mécanismes moléculaires responsables des métastases ostéolytiques sont complexes et entraînent des interactions bidirectionnelles entre les cellules tumorales et l'os. Le TGFbeta et la PTHrP ont un rôle central dans la pathogénie des métastases osseuses ostéolytiques dans les cancers du sein.

L'expression de la PTHrP et de ses ARNm est essentiellement étudiée dans les cancers du sein, par des techniques d'immunohistochimie, d'hybridation in situ ou, plus récemment, de PCR. De nombreuses études montrent que la PTHrP est exprimée dans environ 60 % des tumeurs primaires de cancers du sein. Elle est également détectée dans 70 à 92 % des métastases osseuses de cancer du sein, et ce plus fortement que dans la tumeur primaire, contre 17 % des métastases non osseuses [20, 21]. Par ailleurs, des expériences chez la souris avec des lignées de cancer du sein connues pour entraîner des lésions ostéolytiques ont permis de mieux connaître les mécanismes de stimulation ostéoclastique au niveau des sites métastatiques. L'injection de ces cellules tumorales dans le ventricule gauche de la souris entraîne la formation de métastases osseuses. On observe alors une augmentation de l'expression de la PTHrP dans les cellules qui métastasient dans l'os par rapport aux cellules parentales. L'injection d'anticorps anti-PTHrP avant l'inoculation des cellules tumorales entraîne une diminution du développement des lésions ostéolytiques et de la charge tumorale dans l'os [22].

En plus de sa capacité à activer les ostéoclastes, la PTHrP semble être un facteur de croissance et participer à la régulation autocrine de la croissance tumorale. Des études montrent que des lignées cellulaires de cancer du sein qui expriment le récepteur PTH/PTHrP prolifèrent en réponse à la PTHrP exogène. La PTHrP et son récepteur PTH/PTHrP sont co-exprimés dans différents cancers [23], suggérant un rôle autocrine. De plus, l'expression de son gène peut être induite très rapidement, son ARNm a une courte demi-vie, son expression est dépendante de facteurs de croissance, de cytokines. Toutes ces propriétés amènent à considérer qu'elle fonctionne comme une cytokine dans l'os.

Dans les cancers du sein, le développement de métastases osseuses et d'hypercalcémie est associé à la présence de PTHrP dans les tumeurs primaires [24]. L'expression plus forte du gène de la PTHrP, détectée par RT-PCR (reverse transcriptase-PCR) [25], est positivement corrélée avec un phénotype tumoral invasif. En revanche, aucune corrélation entre l'expression de la PTHrP dans la tumeur primaire et les facteurs pronostiques standard, de récurrence ou de survie, n'est retrouvée. Au niveau prostatique, l'expression de PTHrP est plus important dans le tissu cancéreux que dans la prostate normale. De plus, le niveau d'ARNm ou l'intensité du marquage de la PTHrP est corrélé avec l'augmentation du grade tumoral [26].

Les techniques de PCR permettent de distinguer les différentes isoformes d'ARNm produites par la tumeur, 1-139, 1-141 ou 1-173. Une étude rétrospective par RT-PCR semi-quantitative portant sur les cancers primaires du sein [27] montre que l'isoforme d'ARNm 1-139 est détectée plus fréquemment que l'ARNm 1-141. L'ARNm 1-173 n'est quant à lui détecté dans aucune des tumeurs analysées. La quantité d'ARNm 1-139 est plus élevée dans les tumeurs de patients qui ont développé au cours de leur maladie des métastases osseuses que dans les tumeurs de ceux n'ayant pas de métastases ou des métastases des tissus mous. En revanche, la quantité d'ARNm 1-141 dans ces trois groupes est similaire. Ainsi, la présence d'ARNm 1-139 pourrait permettre d'identifier les patients risquant de développer des métastases osseuses.

Le TGFbeta est un membre d'une grande superfamille de protéines qui sont d'importants régulateurs de l'activité osseuse. Il est l'un des facteurs de croissance les plus abondants dans la matrice osseuse. Le TGFbeta1, fortement exprimé par les ostéoblastes et les ostéoclastes différenciés, est stocké dans la matrice de l'os et relargué sous forme active lors de la résorption osseuse ostéoclastique. Normalement, le TGFbeta stimule la prolifération des cellules mésenchymateuses et la synthèse de protéines de matrice extracellulaire, et inhibe la croissance des cellules épithéliales. Ses effets sont médiés par des interactions avec un récepteur transmembranaire. Chez l'animal, des expériences ont montré que l'injection de cellules de cancer du sein dont le récepteur du TGFbeta est rendu inactif ou dont l'expression est inhibée par transfection, se traduit par l'absence d'augmentation de la PTHrP, une diminution de la destruction de l'os, des ostéoclastes activés et une survie prolongée, par rapport aux cellules exprimant ce récepteur [28]. À l'inverse, l'injection de cellules possédant un récepteur TGFbeta constitutionnellement actif entraîne une augmentation de la production tumorale de PTHrP, des métastases ostéolytiques et une diminution de la survie [29]. L'injection d'anticorps anti-PTHrP avant ces mêmes cellules permet de réduire les lésions ostéolytiques. Parmi les facteurs de croissance abondants dans l'os (TGFbeta, FGF1 et 2, IGFI, IGFIII et platelet-derived growth factor), seul le TGFbeta augmente la production de PTHrP dans des cellules de cancer du sein de façon dose-dépendante.

CONCLUSION

REFERENCES

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