Inhibiteurs de protéases dégradant la matrice extracellulaire : perspectives en oncologie digestive

ARTICLE

L'invasion tumorale nécessite la dégradation préalable de la matrice extracellulaire (MEC) normale. Les protéases qui dégradent cette matrice ont donc un rôle primordial dans la progression tumorale. Outre leur rôle dans la dégradation de la MEC, ces enzymes modulent aussi la progression tumorale en augmentant la biodisponibilité de facteurs de croissance liés à la matrice, en modifiant les interactions entre cellules et MEC et l'angiogenèse. Ces données physiopathologiques, que nous décrirons schématiquement dans un premier temps, ont ouvert la voie à des applications cliniques et thérapeutiques exposées dans la seconde partie de cette revue.

Métalloprotéases et inhibiteurs de métalloprotéases : notions fondamentales

Protéases matricielles

Deux systèmes protéolytiques, dont les activités enzymatiques sont intriquées, sont prédominants dans la progression tumorale : le système du plasminogène et les métalloprotéases matricielles (MMP) [1, 2]. Plusieurs types de protéases sont simultanément impliqués au cours du développement tumoral et s'activent en cascade pour dégrader les différents composants matriciels. Des chevauchements entre les différentes cascades permettent de compenser l'absence d'une voie : aucun phénotype particulier n'est ainsi observé dans la plupart des modèles de souris déficientes en protéase [3].

* Le système du plasminogène

Le plasminogène (inactif) est converti en plasmine sous l'action de deux sérines-protéases : l'urokinase (uPA), activée après fixation sur des récepteurs membranaires à l'uPA [2], et le tissue-type plasminogen activator (tPA). Ce mode d'activation permet une protéolyse précisément localisée autour des cellules exprimant les différents composants du système d'activation du plasminogène [4] (figure 1). La plasmine est capable de dégrader divers composants matriciels, d'activer d'autres protéases (dont les MMP), mais aussi de libérer de la matrice des cytokines et facteurs de croissance tels que le transforming growth factor beta 1 (TGFbeta), le basic fibroblast growth factor (bFGF) et le vascular endothelial growth factor (VEGF). Les PAI1 et 2 (plasminogen activator inhibitors) inhibent la transformation du plasminogène en plasmine et il existe de nombreux inhibiteurs de la plasmine tels que l'alpha2-antiplasmine ou le TFPI2 (tissue factor pathway inhibitor 2).

* Les métalloprotéases matricielles

Les MMP constituent une famille d'enzymes possédant un ion zinc dans leur site actif et capables de dégrader tous les types de protéines de la matrice extracellulaire [1, 5]. Elles sont classées en fonction de leurs propriétés structurales et fonctionnelles en cinq sous-groupes (tableau 1). Elles sont régulées par des inhibiteurs physiologiques (TIMP pour tissue inhibitor of metaloproteinases) dont quatre types sont décrits actuellement (TIMP1-4). Ces inhibiteurs forment des complexes avec les MMP latentes et empêchent leur activation.

* Protéolyse péricellulaire : coopération entre MMP et sérine-protéases

L'activation de la cascade enzymatique a deux points de départ principaux : l'activation du plasminogène ou de la MMP2 (grâce à la MT1-MMP) à la surface cellulaire, les deux systèmes se chevauchant par la suite (figure 2). La plasmine et les MMP coopèrent dans la dégradation matricielle grâce à leurs spécificités différentes pour les substrats protéiques. Ainsi, la plasmine peut dégrader les glycoprotéines fixées sur des fibres de collagène et rendre le collagène accessible à l'action des MMP [6].

Protéases stromales et cancer

* Production de protéases matricielles par les tumeurs

Il est actuellement admis que, dans la plupart des tumeurs, les protéases sont produites majoritairement par les cellules stromales (myofibroblastes) et les cellules inflammatoires et endothéliales [4, 7] et peu par les cellules tumorales. Cette production est sous la dépendance de médiateurs produits par les cellules cancéreuses, et notamment des cytokines et des facteurs de croissance. Une molécule induisant la production de protéases (extracellular matrix metalloprotease inducer ou EMMPRIN) appartenant à la super-famille des immunoglobulines a aussi récemment été décrite à la surface des cellules cancéreuses [8].

* Rôle des protéases matricielles dans la progression tumorale

Le rôle des protéases dans la progression tumorale est expérimentalement bien établi et repose sur des arguments obtenus à la fois in vitro et in vivo : corrélation entre le niveau d'expression de protéases et pouvoir invasif des cellules tumorales, modulation des propriétés invasives d'une cellule par transfection avec l'ADNc codant pour une MMP, un TIMP ou l'uPA, réduction de la croissance tumorale et du potentiel métastatique dans des modèles animaux par utilisation d'inhibiteurs synthétiques de MMP, d'anticorps neutralisants ou d'oligonucléotides antisens [1], et réduction de la tumorigenèse induite par des agents chimiques chez les souris déficientes en MMP11, en MMP2 et en plasminogène [9, 10].

* Nouvelles fonctions des protéases

L'activité des métalloprotéases ne se limite pas au contrôle de l'invasivité tumorale, mais s'étend à la modulation de la prolifération tumorale et de la migration cellulaire. Plusieurs mécanismes peuvent expliquer ces effets protéiformes (figure 3) : la libération de facteurs de croissance liés à des protéines matricielles [11], l'activation de facteurs de croissance par dissociation de leur protéine de liaison (IGF1 et IGF-BP par exemple) [12], le contrôle de l'apoptose par induction du relargage de Fas-ligand [13, 14], le contrôle des liaisons entre cellules et matrice par clivage d'intégrines [15]. L'ensemble de ces actions crée un micro-environnement favorable au développement tumoral et accroît la mobilité des cellules cancéreuses. Le système plasmine-uPAR-PAI1 influence en outre, indépendamment de son activité protéolytique, l'adhésion, la migration cellulaire et les phénomènes de chimiotactisme [16]. En effet, des changements conformationnels du récepteur uPAR sous l'action de la plasmine ou du PAI1 transforment ce récepteur en un ligand pléiotrophique pour de nombreuses molécules impliquées dans l'adhésion cellulaire.

Inhibiteurs de protéases et cancer

Une expression accrue de PAI1 a été observée dans le stroma de plusieurs types de tumeurs (cancer colique, neuroblastome) et une surexpression stromale de TIMP2 a été notée dans des tumeurs du sein ou de la vessie. Il est concevable que cette surexpression ne soit qu'une réaction favorable de l'hôte contre l'invasion tumorale proportionnelle à l'accroissement de l'activité protéolytique. Plusieurs arguments expérimentaux suggèrent cependant que, sous certaines conditions, les inhibiteurs de protéases favoriseraient l'angiogenèse et/ou la croissance tumorale.

* Rôle du PAI1 dans l'angiogenèse et la croissance tumorale

Dans plusieurs modèles expérimentaux (tumeurs induites chez des souris déficientes en PAI1), le PAI1 apparaît paradoxalement nécessaire à la croissance et à la vascularisation tumorale [17], probablement en stabilisant la matrice entourant les néovaisseaux en cours de formation. En effet, si la protéolyse est nécessaire à la migration des cellules endothéliales, un excès de protéolyse empêche leur organisation en néo-vaisseaux [18]. Ainsi, le PAI1 aurait des effets proangiogéniques à faible concentration et des effets anti-angiogéniques à forte concentration. Il représente donc une cible potentielle des thérapeutiques anti-angiogéniques.

* Rôle des TIMP dans la progression tumorale et l'angiogenèse

Dans différents modèles tumoraux, il est montré que les TIMP réduisent l'invasion mais aussi la croissance et la vascularisation tumorale par plusieurs mécanismes parmi lesquels la réduction de la biodisponibilité des facteurs de croissance liés à la matrice, le maintien de l'intégrité des liaisons entre cellules et matrice [19], le blocage de l'angiogenèse par inhibition de la migration et de la prolifération des cellules endothéliales [20], la régulation de l'apoptose : le TIMP3 induit l'apoptose de plusieurs variétés de lignées tumorales, en particulier par stabilisation des récepteurs au TNFalpha [21]. Néanmoins, leur rôle est parfois ambivalent puisque le TIMP2 favorise in vitro la prolifération de cellules leucémiques, lymphomateuses et le TIMP1 exerce des effets anti-apoptotiques sur certaines lignées cellulaires.

* Rôle du TFPI2 dans l'invasion tumorale

Le TFPI2 recombinant inhibe l'invasion de cellules de fibrosarcome HT-1080 [22]. Cependant, comme pour d'autres inhibiteurs de protéases, il existe une dualité d'action puisque le TFPI2 est pro-invasif, spécifiquement pour les cellules de carcinome hépatocellulaire [23].

Métalloprotéases matricielles et inhibiteurs de protéases : applications cliniques et thérapeutiques

Toutes ces données expérimentales indiquent que les protéases interviennent aux différents stades de la progression tumorale (invasion, processus métastatique, néo-angiogenèse et prolifération cellulaire). Ces enzymes apparaissent donc comme des marqueurs pronostiques et des cibles thérapeutiques potentielles.

Protéases matricielles et leurs inhibiteurs comme facteurs pronostiques

Une forte expression de protéases (ou paradoxalement de leur inhibiteur) sérique ou intratumorale est habituellement rapportée dans les tumeurs avancées sans qu'un rapport de cause à effet ne puisse être établi formellement, cette élévation pouvant parfois être aspécifique [24]. Le plus intéressant est l'individualisation par plusieurs études concordantes de l'expression de protéases comme facteurs prédictifs de récidive ou de risque métastatique chez les patients ayant bénéficié d'une résection curatrice d'une tumeur digestive.

* Cancer de l'œsophage

La sur-expression tumorale de MT1-MMP, MMP13 [25], MMP1 [26], uPA [27] et MMP7 est un facteur de mauvais pronostic, corrélé au risque d'invasion tumorale. L'expression de MMP7 dans une série de 48 carcinomes épidermoïdes de l'œsophage curativement réséqués paraît un facteur prédictif indépendant de mauvais pronostic en analyse multivariée [28] à l'inverse de celle du PAI2, facteur de bon pronostic. Dans les adénocarcinomes œsophagiens, la détection d'uPA par Elisa dans les tumeurs est un facteur indépendant prédictif de faible survie dans une série de 54 cancers réséqués [29].

* Cancer de l'estomac

La détection par immuno-histochimie de PAI1 dans les cancers gastriques réséqués est un facteur prédictif indépendant de survie sans récidive et de survie globale pour Allgayer et al. (203 cancers consécutifs étudiés) [30], Ganesh et al. (50 cancers consécutifs) [31], Nekarda et al. (76 résections consécutives curatives de cancer gastrique) [32]. L'expression élevée d'uPA et du récepteur à l'uPA sont de mauvais pronostic en analyse univariée [33] ainsi que l'expression tumorale de MT1-MMP (en analyse multivariée) pour Mori et al. (68 résections gastriques) [34] et Bando et al. (127 résections gastriques) [35]. Le caractère péjoratif de la surexpression du TIMP1 et du TIMP2 est l'objet de publications contradictoires.

* Cancer colorectal

Le taux sérique de PAI1 est clairement corrélé au stade de Dukes mais son élévation est aspécifique, parallèle à l'élévation de la protéine réactive C [24]. Une augmentation d'expression de l'uPA ou du PAI1 est ainsi notée dans les tumeurs au stade C et D de Dukes mais, de façon plus intéressante, l'élévation du rapport uPA/PAI1 est un facteur indépendant de survie en analyse multivariée, quel que soit le stade de Dukes [36]. Le dosage de deux autres protéases tumorales a aussi un intérêt pronostique : la MMP1 (indépendamment du score de Dukes) [37] et la MMP9 (facteur indépendant de survie sans récidive) [38].

* Cancer du pancréas

Les études sont moins nombreuses dans l'adénocarcinome du pancréas, mais l'expression de MMP2 et de MMP9 [39] par les tumeurs est associée à des récidives plus précoces après chirurgie curatrice. À l'inverse, l'expression de PAI2 est corrélée à une fréquence moindre de métastases dans une série de 97 cancers [40].

* Carcinome hépatocellulaire

L'expression de protéases dans les carcinomes hépatocellulaires a fait l'objet d'études descriptives [41] rarement rapportées au pronostic. La forte expression d'uPA par les tumeurs paraît cependant de mauvais pronostic [42].

Utilisation thérapeutique des inhibiteurs synthétiques de protéases

La première génération d'inhibiteurs synthétiques, utilisée dès 1992, possédait une très faible biodisponibilité par voie orale. Parmi ceux-ci, seul le batimastat (BB94) a fait l'objet d'études cliniques [43] par administration intrapleurale ou intrapéritonéale. Une étude de phase I portant sur des ascites néoplasiques d'origine diverse - dont pancréatique - a montré une bonne tolérance clinique et biologique avec disparition de l'ascite chez 70 % des patients dans les 28 jours suivant l'injection et a été confirmée par une étude de phase II pour les ascites néoplasiques d'origine ovarienne uniquement. Le développement du batimastat a été néanmoins stoppé pour toxicité péritonéale majeure lors d'administrations en l'absence d'ascite et du fait de l'apparition d'inhibiteurs synthétiques de métalloprotéases biodisponibles par voie orale, dont le matimastat qui a fait l'objet de plusieurs essais cliniques.

* Marimastat

Au cours d'une étude préliminaire de phase I chez des malades inopérables (cancers ovariens, colorectaux, pancréatiques et prostatiques), un traitement de 28 jours par marimastat a été associé à une diminution des marqueurs tumoraux sériques [44]. Une toxicité dose-limitante sous forme de douleurs musculaires et tendineuses affectant principalement les épaules et les mains a été mise en évidence. Plusieurs études ont été ensuite entreprises en oncologie digestive.

- Cancer gastrique. Trente-cinq patients souffrant de cancers gastriques avancés inopérables traités préalablement ou non par chimiothérapie, radiothérapie ou chirurgie palliative, ont été inclus dans une étude de phase I [45]. La dose initiale proposée était de 50 mg/j, ramenée à 25 mg/j dès le sixième patient inclus du fait de la toxicité musculo-tendineuse (arthralgies, myalgies, tendinites) apparaissant en moyenne 45 j après le début du traitement chez 37 % des patients. Les autres effets secondaires observés furent des nausées et des vomissements (10 % des cas) et, chez 4 patients traités pendant 3 mois, la survenue d'une maladie de Dupuytren. L'efficacité du traitement a été évaluée sur des critères endoscopiques et histologiques. Les endoscopies pratiquées à J0 et J28 ne montraient pas de réduction significative du volume tumoral mais, dans 30 % des cas, une diminution des manifestations hémorragiques et une involution scléreuse des tumeurs. Les biopsies analysées chez 25 patients montraient une augmentation du stroma fibreux tumoral dans un petit nombre des cas. Ces résultats encourageants ont justifié la réalisation d'une étude multicentrique de phase III [46] portant sur 369 cancers gastriques avancés randomisés en deux groupes : marimastat 10 mg/j pendant 6 mois ou placebo. Les effets indésirables ont été représentés par des douleurs musculaires. Un gain statistiquement significatif a été observé dans le groupe marimastat pour la survie médiane (167 versus 135 j) et la survie sans progression. La survie à 1 an était de 20 % pour le groupe marimastat (14 % dans le groupe placebo), la réponse étant meilleure chez les patients ayant préalablement reçu une chimiothérapie et en l'absence de métastases.

- Cancer du pancréas. Une étude de phase III a débuté dans les cancers du pancréas non résécables comparant en première ligne la gemcitabine et le marimastat en monothérapie [47], mais elle a été interrompue du fait de résultats intermédiaires très en faveur du bras gemcitabine. L'administration concomitante de gemcitabine et de marimastat dans les cancers pancréatiques inopérables fait actuellement l'objet d'une étude de phase I [48]. Il ne semble pas exister sur les résultats préliminaires de toxicité supplémentaire et il a été observé 2 réponses objectives et une stabilisation des lésions chez 6 des 11 patients inclus.

- Cancer du côlon. L'utilisation du marimastat en phase I à forte dose dans des cancers colorectaux avancés [49] s'est accompagnée d'une diminution significative du taux sérique d'ACE (antigène carcino-embryonnaire) en cours de traitement. Des études de doses sont en cours en association avec le 5-fluoro-uracile et l'acide folinique.

* Bayer 12-9566

Cet inhibiteur sélectif des MMP2, 9, 3 et 13 a une faible toxicité sous forme d'anémie et de thrombopénie réversibles et d'augmentation modérée des transaminases sans manifestation musculo-tendineuse. L'association 5-fluoro-uracile et acide folinique est bien tolérée sans surtoxicité [50]. Une étude comparant Bayer 12-9566 versus gemcitabine en première ligne dans les cancers inopérables du pancréas a inclus 277 patients [51]. La survie sans progression était de 3,5 mois pour la gemcitabine (versus 1,7) et la médiane de survie également en faveur de la gemcitabine (6,4 versus 3,2 mois).

* CGS-27023A (MM-1270)

Cet inhibiteur non sélectif des MMP a pour principales toxicités des douleurs musculaires et des rashs maculopapuleux. Étudié en association au 5-fluoro-uracile et à l'acide folinique chez 20 patients souffrant de cancers coliques métastatiques, sa tolérance a été bonne malgré des rashs chez 8 patients [52]. Une stabilisation des lésions a été obtenue chez 10 patients et une réponse partielle chez 2.

* Autres inhibiteurs synthétiques

Le prinomastat (AG-3340), le BMS-275291 (D-2163) et le métastat sont étudiés en phase I dans des tumeurs avancées solides, en particulier prostatiques. Leur tolérance est bonne malgré de rares manifestations articulaires et cutanées.

Quel avenir pour les inhibiteurs de protéases en oncologie ?

Les différents essais montrent dans l'ensemble des résultats modestes souvent considérés comme décevants. Cette déception est à nuancer du fait de résultats encourageants obtenus dans certains cancers (allongement dans plusieurs essais de la survie sans progression) et de la bonne tolérance de ces drogues, même si des effets secondaires sont théoriquement envisageables tels que des perturbations des mécanismes de cicatrisation et des interactions avec des processus physiologiques (blocage de l'action de l'enzyme de conversion de l'angiotensine, modification de la disponibilité de cytokines...).

La principale difficulté sera de trouver la place de ces médicaments dans l'arsenal thérapeutique anticancéreux et d'entreprendre des études adaptées à leurs propriétés potentielles. Les inhibiteurs de métalloprotéases sont en effet principalement des agents cytostatiques, on ne peut donc attendre de leur utilisation des résultats (et des effets secondaires) comparables à ceux observés pour une chimiothérapie cytolytique. Ils ne doivent pas être considérés comme concurrents des drogues cytolytiques mais être utilisés en association synergique, comme le suggèrent des travaux expérimentaux. Les études comparant marimastat et gemcitabine en monothérapie dans le cancer du pancréas sont ainsi critiquables, surtout si le critère d'analyse (la réponse tumorale objective) est inadéquat pour une drogue cytostatique.

Les indications et les modes d'utilisation des inhibiteurs de protéases commencent cependant à s'éclaircir et devraient être précisés par de futures études :

- Utilisation préférentielle dans les tumeurs très vascularisées, invasives et à fort potentiel métastatique. Les inhibiteurs de protéases pourraient empêcher le passage de la forme in situ à la forme invasive, réduire le risque de récidive locale après chirurgie d'exérèse, diminuer le risque métastatique. Les études disponibles actuellement ne peuvent répondre à ces questions puisque le traitement est administré à un stade déjà métastatique...

- Utilisation en association potentialisatrice avec la chimio et/ou la radiothérapie, en adjuvant chez les patients à fort risque de récidive (cancer du pancréas, hépatocarcinome) ou en néoadjuvant pour prévenir le risque métastatique et accroître l'opérabilité des tumeurs (cancer du rectum, cancer de l'œsophage).

- La chronologie d'administration par rapport aux drogues conventionnelles reste à déterminer et devrait faire l'objet des futurs protocoles d'études.

Les inhibiteurs de protéases en oncologie doivent encore manifestement trouver leur place dans les protocoles thérapeutiques anticancéreux. Néanmoins, les résultats spectaculaires obtenus dans les modèles précliniques, en particulier en association avec des drogues cytotoxiques, et les résultats préliminaires des études cliniques, encouragent à poursuivre le développement de ces nouveaux agents anticancéreux.

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