MODÈLES ANIMAUX EN CANCÉROLOGIE PATRICIA VRIGNAUD 02/10/2015
MODÈLES ANIMAUX EN
CANCÉROLOGIE
PATRICIA VRIGNAUD
02/10/2015
QUEL MODÈLE EXPERIMENTAL PEUT
PRÉDIRE L’ÉVOLUTION D’UN CANCER
CHEZ L’HOMME ?
Cancer – Une multitude de maladies
> C’est un groupe de maladies où des
altérations génétiques successives ont
conduit des cellules à une croissance
anormale et incontrôlée.
> 2 patients ayant le même diagnostic
peuvent avoir des tumeurs très
différentes (altérations génétiques,
histologie, infiltration, chimiosensitivité).
> Les tumeurs sont détectées à un stade
avancé de la maladie et le processus
métastatique est souvent déjà en place.
02/10/2015 Modèles animaux en cancérologie 3
QUELS MODÈLES TUMORAUX SONT
DISPONIBLES EN ONCOLOGIE ?
Tumeurs spontanées
Greffes sous-cutanées
Greffes orthotopiques
Modèles de métastases
Modèles génétiquement modifiés
Xénogreffes Viro- / Chimio-induits Spontanés
Première Génération
Seconde Génération
Modèles génétiquement modifiés Modulation
d’expression de
gènes
(RNAi / shRNA)
Transgénèse
classique
Tumeurs
inductibles
Tet-Off / Tet-On
Recombinaison
homologue
KO / KI
Modèles tumoraux
PDX
CRISPR/Cas9
Modèles animaux en cancérologie 5 02/10/2015
Modèles tumoraux utilisés en Oncologie
Tumeurs spontanées, viro-/chimio-induites
> Même fond génétique entre l’hôte et la tumeur
Greffes sous-cutanées
> Variété
> Accessibilité de la tumeur
Greffes orthotopiques
> Développement tumoral dans un environnement approprié
Modèles métastatiques
> Modélisation des différentes étapes du processus métastatique
Modèles génétiquement modifiés
> Histoire naturelle du développement tumoral
Techniques d’imagerie ˃ Stade de progression
tumorale
˃ Suivi et détection précoce
de la croissance tumorale
˃ Détection et suivi des
métastases
˃ Suivi longitudinal et non-
invasif de marqueurs
moléculaires
˃ …..
Modèles animaux en cancérologie 6 02/10/2015
Comment choisir le meilleur modèle tumoral ?
Modèles cellulaires utilisés dans les études in vitro / ex vivo
Caractéristiques moléculaires
> Pertinence par rapport à la cible / voie de signalisation
Réponse aux thérapies standards / de référence
Modèles mimant les différentes étapes de la progression d’un cancer
Stabilité du modèle
> Morphologie / Histologie
> Croissance
> Réponse aux thérapies
> Caractéristiques moléculaires
Critères d’activité antitumorale pertinent du contexte clinique
Modèles animaux en cancérologie 7 02/10/2015
Tumeurs greffées sous la peau (sous-cutanées)
Mesure au pied à coulisse d’une tumeur humaine
xénogreffée sur la souris nude
Modèles animaux en cancérologie 8
Tumeurs consanguines
> Même contenu génétique
> Animaux immunocompétents
Tumeurs provenant de tumeurs
humaines (ou d’une autre espèce)
> Greffe de cellules tumorales ou tissus
> Environnement de la tumeur d’une
espèce différente
> Animaux immunodéprimés
Tumeurs génétiquement modifées
> Cellules transfectées
> Tumeurs de souris transgéniques
> Animaux immunocompétents ou
immunodéprimés selon les cas
02/10/2015
Tumeurs dérivées de Patients (PDX)
Histopathologie reflétant mieux
la tumeur originale du patient
> que les xénogreffes classiques
de lignées cellulaires
Outils précieux
> En tant qu’avatars à utiliser dans
la stratégie de la médecine de
précision
> Comme modèles pour
l’évaluation préclinique de
nouveaux agents et la
découverte de bio-marqueurs
Patient-derived xenograft models: an emerging platform
for translational cancer research.
Hidalgo M, et al. Cancer Discov. 2014;4:998-1013.
Xénogreffes de lignées cellulaires
HT-29 SW620
20x 20x
Tumeur du patient
20x
Tumeur xénogreffée (Passage 8)
20x 20x
Adénocarcinome lieberkühnien bien différencié du colon gauche
Consortium CReMEC : Clin Cancer Res; 18(19) Oct1, 2012
Modèles animaux en cancérologie 9 02/10/2015
Hidalgo M et al.
Cancer Discovery
2014;4:998-1013
Les PDX dans la stratégie de la médicine de précision
10 Modèles animaux en cancérologie 02/10/2015
Les PDX sont-ils plus prédictifs de la réponse aux thérapies
ciblées que les xénogreffes classiques ?
A. Cetuximab actif sur > CR-IC-0002P (wild-type KRAS)
> CR-IC-0013M (mutated KRAS)
B. Analyse de la survie en
fonction du statut KRas. 1. LogRank analysis on KRAS wild-type
populations treated or not with cetuximab.
2. LogRank analysis on KRAS mutated
populations treated or not with cetuximab
3. LogRank analysis on KRAS mutated and
wild-type populations all treated with
cetuximab.
CReMEC consortium: Julien S et al.
Clin Cancer Res; 18(19) October 1, 2012
KRAS
mut
CTL
Cetux
KRAS
wt
CTL
Cetux
KRAS wt
KRAS mut
Cetuximab
11 Modèles animaux en cancérologie 02/10/2015
Les PDX humanisés :
Modèles précliniques en immuno-oncologie
12 Modèles animaux en cancérologie
A humanized mouse model for translational assessment of tageted immune checkpoint blockade
Baia GS et al (Champions Oncology / John Hopkins University School of Medecine) - AACR 2015
02/10/2015
Taux de prise des PDX très variable : Exemple de PDX de poumon non à petites cellules
Prognostic défavorable > Pas de PDX (n = 65)
> PDX (n = 35)
Fonction du type histologique > Carcinome squameux (60%)
> Adénocarcinome (13%)
Modèles animaux en cancérologie 13
(A) Courbes Kaplan–Meier de survie des
patients développant ou non un PDX.
(B) Survie des patients et taux de prise des PDX en
fonction de l’histologie tumorale (Adénocarcinomes
ou carcinomes squameux).
Ilie M et al. Cancer Medicine 2015, 4(2):201–211
02/10/2015
Greffes orthotopiques
(Xéno)greffe tumorale dans le
tissu d’origine de la tumeur
> Tumeur s’adaptant à son
environnement • par exemple du fait de l’expression de
récepteurs aux facteurs de croissance
> Favorise le développement de
métastases • voir l’exemple ci-contre
Le site d’implantation peut
impacter
> La réponse aux traitements
> La dérive de la tumeur (mutations,
voies de signalisation) • Bibby MC. Eur J Cancer 2004;40:852–7.
Greffe orthotopique de PDX colorectal
Modèles animaux en cancérologie 14
CReMEC consortium:
Julien S et al. Clin Cancer Res. 18(19), 2012
Métastases hépatiques
Métastases ganglionnaires
Organes prélévés lors de l’autopsie (à gauche)
Section histologique après coloration H&E (à droite)
02/10/2015
L’environnement tumoral est important pour les
thérapies ciblées : AVE1642 (anticorps IGF-1R)
Colon HT29 greffé dans la rate > 106 cellules/souris (20 SCIDs / groupe)
> AVE1642 à 40 mg/kg/day, iv 2x/semaine, 7
semaines à partir du J1 après implantation
Pas d’activité sur la tumeur primaire > p > 0,05 par rapport au groupe contrôle
Diminution significative du poids du
foie traité > p = 0,0112 par rapport au groupe contrôle
Diminution significative du nombre
de métastases hépatiques > p = 0,0455 par rapport au groupe contrôle
15
Murine AVE1642
Vehicle
Bladt F et al. Poster # 4775,
AACR 2006
+
+
Nu
mb
er
of
live
r m
eta
sta
se
s
Modèles animaux en cancérologie 02/10/2015
L’environnement tumoral est important pour les
thérapies ciblées : AVE1642 (anticorps IGF-1R)
Sein MDA-MB-231-luc D2H1
> Greffe SC :
• Pas d’activité sur la tumeur
primaire
> Greffe dans le tibia
• Retard de l’osteolyse après
traitement
• Diminution de la croissance
dans le poumon
16
Bladt F et al. Poster # 4115, AACR 2007
Bioluminescence
Control 3 e+5 cells
AVE1642 40mg/kg/day
Day 28
Click # XQA20051010112856lun. 10 oct. 2005 11:29:14Bin:M (8), FOV25, f1, 5mFilter: OpenCamera: IVIS 182, SI620EEV
Group ID: 10/10/05Expt Number: TEST-494Time Point: J28Animal Number: 1,2,4,5Cell Line & Number: MDA-MB-231-Luc 3.105 cellules
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
x10
6
ImageMin = -28821
Max = 2.0085e+06p/sec/cm^2/sr
Color BarMin = 5000
Max = 1e+06
bkg subflat-fieldedcosmic
WARNING: Saturated Luminescent Image
Click #
XQ
A20051010101500
lun. 1
0 o
ct. 2005 1
0:1
5:1
7B
in:M
(8), F
OV
25, f1
, 5m
Filte
r: Open
Cam
era
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182, S
I620E
EV
Gro
up ID
: 10/1
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-231-L
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59
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0.8
0.6
0.4
0.2
Group: Control 3E+05 AVE1642 40 mg/kg/day
TR= Take-rate
Tu
mo
r g
row
th in
th
e lu
ng
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g
Day
NS
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63
TR 92 %
TR 67% * **
* *
* **
6
4
1 Treatment 4x
Tumor growth in lung
Tumor growth in bone
X-Ray-radiography
Control 3 e+5 cells
AVE1642 40mg/kg/day
Day 63
Group: Control 3E+05 AVE1642 40 mg/kg/day
NS NS NS
* ** ***
** * NS
NS NS NS *
NS
Tu
mo
r g
row
th in
th
e b
on
e in
lo
g
(Ph
oto
ns/s
ec/c
m2
/Sr)
First Osteolysis detection (median)
Osteolysis
detection
6
8
4
1 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63
Day
4x Treatment
Modèles animaux en cancérologie 02/10/2015
Modèles métastatiques
Les différentes étapes du processus
métastatique
> Les cellules tumorales se détachent de la
tumeur primaire
> Elles entrent dans le flot vasculaire
> S’embolisent puis quittent les vaisseaux
sanguins par extravasation
> Survivent puis se développent dans des
sites secondaires
Différents types d’implantation sont à
envisager en fonction de l’étape (des
étapes) du processus métastatique à
étudier
Modèles animaux en cancérologie 17
Steeg PS. Nature Reviews Cancer 3, 55-63 (January 2003)
02/10/2015
Le suivi longitudinal du processus métastatique est
facilité par des techniques d’imagerie
Imagerie anatomique ou
morphologique
> mCT
> Ultra-sons
Imagerie physiologique /
fonctionnelle
> Ultra-sons
> Nucléaire
> Optique
Imagerie moléculaire
> Nucléaire
> Optique
Modèles animaux en cancérologie 18
Tomographie à Emission de Positons (TEP)
02/10/2015
0 10 102 103 104 105
Edinger 2002
Imagerie optique (Bioluminescence)
b) Nombre de cellules injectées (sc) / animal
Modèles animaux en cancérologie 19
Clinical and Experimental Metastasis 20:745, 2003
c) Croissance d’une tumeur orthotopique de la prostate
a) Souris BALB/C, 4 jours
après injection IV de 7x103
cellules du lymphome BCL1
02/10/2015
Modèles génétiquement modifiés
Souris transgéniques
Système immunitaire
Tumeur /
environnement
Permettant le suivi
tumoral par imagerie
Développement
tumoral complet
Cellules transfectées
Modèle
dépendant
de la cible
Validation cible
/ modèle
RNAi
Expression
contrôlée de
cible
(tetO/tetR)
Candidat Tête de série Cible
KO / KI models
Cible humanisée
pour les
biothérapeutiques
Humanisation du
metabolisme du
produit
20 Modèles animaux en cancérologie 02/10/2015
Modèle animal permettant d’étudier l’activité et
les marqueurs associés d’inhibiteurs d’IGF-1R
MEF Tetoff IGF-1R > Les fibroblastes murins embryonnaires (MEF) non
transformés ne peuvent pas pousser dans les souris immunodéprimées
> MEF Tetoff IGF-1R sont sous le contrôle d’un promoteur tétracycline.
• - doxycycline : l’IGF-1R exogène est surexprimé et les cellules peuvent croître sous la forme de tumeur chez la souris
• + doxycycline : Inhibition de l’expression d’IGF-1R induit le régression de la tumeur établie.
> Dose réponse anticorps IGF-1R • 2x/semaine à partir de J30 (tumeurs établies)
Modèles animaux en cancérologie 21
Graeser R et al. J Biomol Screening 2012, 17 (3), 339-349.
02/10/2015
Souris transgéniques Rip1Tag2 : un modèle de référence pour les
inhibiteurs de l’angiogenèse tumorale (Hanahan D.,1985)
Caractérisation du modèle Le VEGF-Trap augmente la survie
des souris Rip1Tag2 > Souris de 12 semaines
> Aflibercept en dose-réponse 2x/sem (SC)
Vasculature des îlots des contrôles (WT) and Rip1Tag2 mice (anti CD34
staining)
Semaine 9 Semaine 13
WT
Semaine 9
HE HE
Tumeurs très vascularisées des souris Rip1Tag2
Sections pancréatiques (Anti largeT antigen staining) des contrôles (WT)
et Rip1Tag2
Développement de carcinomes dans les îlots
pancréatiques de souris Rip1Tag2
Semaine 9
WT
Semaine 9
HE
Semaine 13
HE
Log-Rank multiple comparisons test was used (p<0.05 = *, p<0.01 = **).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59
Vehicle (8 mice)
Aflibercept 40mg/kg/adm (7 mice)
Aflibercept 10mg/kg/adm (7 mice)
Aflibercept 4mg/kg/adm (6 mice)
Day of treatment
Days S
urv
ival [%
]
Kaplan-Meier survival graph: Aflibercept Regression trial
ILS= 229% *
ILS= 312% **
Modèles animaux en cancérologie 22
Chiron M. et al. Poster # 380 AACR 2008
02/10/2015
Utilisation du rat pour établir les relations PD/PK/Tox
Etudes PK/PD/efficacité avec
détermination de l’index
thérapeutique
> Utilisant les mêmes critères que
pour les études de toxicologie
> Et les données de
pharmacocinétiques
Prélèvements biologiques répétés
> Ce qui est un avantage majeur
Plus solide, avec une espérance de
vie supérieure
Rats immunodéprimés
> Acceptant les mêmes xénogreffes
tumorales que les souris
> Nécessitent cependant de fortes
doses d’irradiation
Rats développant des tumeurs
chimio-induites
Modèles animaux en cancérologie 23 02/10/2015
Essais cliniques chez l’animal domestique développant
un cancer
Essais translationnels
> Relations PK/PD
• Incluant des biopsies pré- et post-
traitement
Etudes du métabolisme
> Quand le métabolisme est différent
chez le rongeur
Index thérapeutique
En parallèle des études cliniques
chez l’homme
> Au sein d’un hôpital vétérinaire
(Nantes, Lille, …)
> ou d’un consortium d’hôpitaux
vétérinaires (NCI)
Protocoles proches de ceux des
essais cliniques chez l’homme
> Consentement éclairé du propriétaire
Paoloni M, Khanna C (2008) Translation of new cancer treatments from pet dogs to
humans. Nat Rev Cancer 8: 147–156.
Modèles animaux en cancérologie 24 02/10/2015
Les questions précliniques à se poser pour
répondre aux questions cliniques
Quel est le meilleur modèle en fonction du projet / de la cible ?
Peut-on atteindre au niveau plasmatique la concentration active in vitro ?
Est-ce que le principe actif atteint la tumeur ? > A quelle dose / concentration ?
> Cinétique d’inhibition de la cible incluant la réversibilité ?
> A quelle concentration par rapport aux études in vitro ?
A-t-on une activité in vivo ? > De quel type ?
> Quel est le niveau minimum de modulation de la cible qui impacte la croissance tumorale ?
Quels sont les effets secondaires ?
Quel est l’index thérapeutique ?
25 Modèles animaux en cancérologie 02/10/2015
Ethique animale et réglementation
Modèles animaux en cancérologie 26
La règle des 3R : réduire, raffiner, remplacer > Avant toute étude chez l’animal, il faut s’assurer que
• le nombre d’animaux par groupe est adéquat pour quantifier les effets d’un agent
• tout est mis en œuvre pour limiter au maximum le stress et la souffrance de l’animal
• des méthodes alternatives n’existent pas
Les expérimentateurs doivent détenir un livret de compétences personnel > La réglementation (articles R214-114 à 116 et arrêté d'application) définit les
compétences requises pour concevoir ou réaliser des procédures expérimentales sur les animaux. Quatre fonctions sont définies:
• conception ou réalisation
• application des procédures
• soins aux animaux
• mise à mort des animaux.
> Les formations initiales, les niveaux d'expérience, les compétences spécifiques et les programmes de formation réglementaire sont précisés pour chaque fonction.
Chaque protocole d’expérimentation animale doit être revu par un comité d’éthique animale
02/10/2015
Merci de votre attention