Le métabolome circulant :
un nouvel outil pour analyser la relation entre hôte et tumeur
Circulating metabolome: a novel tool for host-tumor relationship assessment
Olivier Trédan
1, Élodie Jobard
2, Bénédicte Elena-Herrmann
21 Département de cancé- rologie médicale, centre Léon-Bérard, Lyon, CNRS UMR5286, Centre inter- national de recherche en cancérologie, Lyon.
2 Université de Lyon, institut des sciences analy- tiques, Villeurbanne.
Poin ts for ts Highligh ts
» L’évaluation qualitative et quantitative des métabolites circulants chez les patients atteints d’un cancer apparaît comme un outil intéressant pour étudier les caractéristiques spécifi ques du microenvironnement tumoral ainsi que les modifications du métabolisme des patients. Les métabolites circulants sont les produits de la reprogrammation métabolique des cellules cancéreuses et se combinent avec la réponse de l’hôte contre le cancer (interaction entre hôte et tumeur).
» Plusieurs études ont utilisé la métabolomique sur du plasma ou du sérum de patients atteints de cancer. Des voies métaboliques perturbées ont été décrites dans de nombreux cancers, avant et pendant les traitements. Les signatures métaboliques systémiques peuvent ainsi servir de biomarqueurs pronostiques, mais pourraient également être considérées comme un outil pharmacodynamique.
Cependant, à cause de l’hétérogénéité importante de tous ces résultats, la métabolomique reste exploratoire.
Mots-clés : Métabolisme des cellules cancéreuses – Interaction entre hôte et tumeur.
The qualitative and quantitative evaluation of circulating metabolites in cancer patients appears to be a unique tool to investigate the specific features of the cancer microenvironment as well as the significant modifications of patients’ metabolism.
Circulating metabolites are the products of cancer cells reprograming combining with the host response to cancer (host-tumor interaction).
Several studies used metabolomics in the plasma or serum of cancer patients. Systemic metabolic alterations were observed in many cancers, before treatments and during treatments. Metabolic signatures may serve as prognostic biomarkers, but may also be considered as a pharmacodynamic tool. However, because of the substantial heterogeneity of these results, metabolomics remain exploratory.
Keywords: Cancer-cell metabolism – Host-tumor inter- action.
L es métabolites correspondent à la fin de la chaîne des processus biochimiques physio- logiques et physiopathologiques cellulaires.
Les voies métaboliques sont régulées à la fois par le génome et par l’environnement. Chez les patients atteints de cancer, il existe des interactions impor- tantes entre le processus tumoral (et donc le méta- bolisme tumoral spécifique) [1] et les conditions physiopathologiques (processus inflammatoires, notamment) [2] . Les métabolites circulants chez un patient atteint d’un cancer sont la résultante de cen- taines de réactions au sein des tissus tumoraux et normaux. De plus, l’eff et biologique des traitements dépend directement de certaines voies métaboliques
(pharmacocinétique et métabolisme des médica- ments), alors que les interventions thérapeutiques peuvent modifi er le métabolisme du patient et celui de la tumeur.
Quantifier et analyser les métabolites circulants
(tableau, p. 20) revient donc à obtenir, à un moment
donné, un portrait de toutes les réactions biochimiques
du métabolisme de l’hôte, de la tumeur, ainsi que de
leurs interactions. Les métabolites circulants varient
en fonction de la progression tumorale et de l’eff et des
interventions thérapeutiques. Ces signatures méta-
boliques (dites métabolomiques) peuvent donc être
utilisées pour le diagnostic, le pronostic ou le suivi des
traitements.
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La métabolomique pour la classifi cation tumorale
Durant le processus de progression néoplasique, de très nombreux événements oncogéniques ont lieu, qui abou- tissent à un métabolisme tumoral particulier (fi gures 1 et 2) [1] . La prolifération anarchique des cellules cancé- reuses est en partie liée à une anomalie de la régulation du métabolisme cellulaire, et l’agressivité des tumeurs est, en partie, la conséquence de conditions méta- boliques particulières du microenvironnement tumoral.
Pour prendre un exemple simple, rappelons que les cellules cancéreuses en division produisent et excrètent de grandes quantités de lactate (liée à la glycolyse anaé- robie, appelée souvent eff et Warburg) et que ce dernier entraîne, dans le microenvironnement tumoral, une baisse du pH (3) , qui favorise l’agressivité tumorale (4) . En fonction du type de tumeur, il existe de plus des spécifi cités métaboliques : en ce qui concerne le cancer du sein, il est bien établi que le syndrome métabolique (obésité et infl ammation chronique) chez la patiente aboutit à un phénotype tumoral particulier (5) , alors
que la cellule cancéreuse mammaire (dépendante des voies estrogéniques) présente des caractéristiques métaboliques propres (6) . Ainsi, l’analyse du plasma de patientes atteintes de cancer du sein permet de mettre en évidence des spécifi cités métabolomiques, même à des stades très précoces aux tout premiers stades de la maladie (7) . Il semble aussi que les spécifi cités méta- bolomiques soient diff érentes selon que les cancers du sein surexpriment HER2 ou non. La présence ou l’absence d’expression des récepteurs hormonaux (RH) modifi e la quantité de certains métabolites spécifi ques.
Lorsque les récepteurs hormonaux (RH) sont expri- més, la quantité de certains métabolites spécifi ques est modifi ée (certains acides aminés et les métabolites du catabolisme glycérolipidique) [8] . Dans une analyse post hoc du sérum de près de 700 patientes atteintes de cancer RH+ incluses dans des essais thérapeutiques, il apparaît que la méta bolomique parvient à identifi er (sur les prélèvements préopératoires) les patientes à risque de rechute. Cette signature pronostique est indépendante des facteurs pronostiques habituels (9) . Pour d’autres types de cancer où l’accès au tissu tumoral initial est problématique en routine (comme le cancer du pancréas ou les gliomes), les approches de métabolo- mique sur le sang circulant permettraient de distinguer diff érents sous-groupes de patients, notamment en fonc- tion des principales voies métaboliques énergétiques (10, 11) . Cela ouvre la voie à de nouvelles taxonomies de ces maladies, avec des caractérisations moléculaires propres (en partie liées aux spécifi cités métaboliques) et de nouvelles propositions de thérapies innovantes.
La métabolomique pour la prédiction de la réponse aux traitements
Les modifi cations métaboliques présentes au sein d’une tumeur sont donc très variables d’un tissu tumoral à l’autre. Cependant, le métabolome circulant n’est pas que le refl et des modifi cations protéiques et métaboliques au sein des tumeurs : il est également celui des condi- tions physiologiques et pathologiques du patient. Il peut donc permettre d’appréhender le risque de toxicité des traitements, mais aussi prédire la réponse antitumorale.
En ce qui concerne la prédiction de la toxicité, les chimiothérapies absorbées par voie orale, comme la capécitabine, ont un métabolisme particulier, et la méta- bolomique pourrait aider à identifi er les patients les plus à risque. Ainsi, chez des patients porteurs d’un cancer colorectal métastatique, l’étude du sérum préthéra- peutique a permis de montrer que des niveaux élevés de lipides dérivés de lipoprotéines étaient associés à Tableau. Quelques méthodes pour l’analyse du métabolome circulant.
Techniques Caractéristiques
(résonance magnétique nucléaire)RMN
• Non destructive
• Peut être entièrement automatisée
• Haut degré de reproductibilité
• Préparation minimale des échantillons
• Sensibilité faible (par rapport à la MS)
• Diffi culté pour analyser les spectres de mélanges complexes
• Instruments coûteux
(spectrométrie de MS masse)
GC-MS (chromatographie
gazeuse)
• Relativement peu coûteuse
• Degré élevé de sensibilité
• Préparation de l’échantillon longue
• Applicable aux composés susceptibles d’être vaporisés par chauff age
LC-MS (chromatographie
liquide)
• Temps de préparation de l’échantillon moins long que pour la GC-MS
• Reproductibilité dépendante de LC
• Sensibilité variable (peut souff rir de la suppression d’ions, et dépendante de la cinétique des métabolites et de leur hydrophobicité)
• Plus coûteuse que la GC-MS
CE-MS (électrophorèse
capillaire)
• Pouvoir de résolution élevé
• De très petits échantillons suffi sent
• Technique rapide
• Utilisée pour le profi lage simultané de diff érentes classes de métabolites FT-IR
(spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier)
• Non destructive et simple à mettre en œuvre
• Peu onéreuse et adaptée pour le criblage à haut débit
• Peu sensible et peu discriminante
Figure 1. Représentation schématique des principales perturbations métaboliques du microenvironnement tumoral.
Production de pyruvate
Modification des voies métaboliques énergétiques
Acétyl-CoA
Biosynthèse importante de protéines, de nucléotides,
d’acides gras et de phospholipides
Augmentation du métabolisme du stroma Biosynthèse augmentée de fibres conjonctives
Diminution de la phosphorylation
oxydative Augmentation
de la glycolyse Augmentation de
l’expression des transporteurs de glucose
diminuant avec la distance par rapport aux vaisseaux sanguins Néovaisseau tumoral
fuite capillaire
Fraction de cellules proliférantes importante
Matrice extracellulaire riche et dense
Cellules en condition d’hypoxie Activation de la transcription des gènes dépendants de HIF-1α pH
Figure 2. Représentation schématique des principales voies métaboliques modifi ées au sein d’une cellule cancéreuse (D’après DeBerardinis RJ et al. Cell Metab 2008;7:11-20).
GF glc
PI3K Akt PTEN
TSC1
SDH FH TSC2
mTOR
Protéines
Lipides
Nucléotides
Myc
LDH-A
PDH PDK1 Acides aminés
essentiels
Acides aminés essentiels
Acides aminés non essentiels
Acides
gras Citrate
Mitochondrie Ac-CoA
Pyr glc-6-P
3-PG
Lac
HIF1α HIF1α
VHL
R.O.S. Succinate Fumarate
O2
Dégradation OH OH PI3K/Akt/mTORtranslation HIF-1α
TCA cycle
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des toxicités sévères (12) . Par ailleurs, dans ce modèle tumoral, il avait été montré que certaines modifi cations de lipides permettaient de prédire la survie globale (13) . Le métabolome circulant permet surtout d’expliquer certains modes d’action des agents anticancéreux ou de sélectionner les traitements les plus adaptés à l’état physiopathologique aux conditions physiopatho- logiques du patient. Plusieurs études ont été menées chez des patientes ayant un cancer du sein. Lorsque la tumeur est en place, en situation néo adjuvante, les profi ls métabolomiques sériques analysés avant une
chimiothérapie peuvent être corrélés à la réponse anatomopathologique. Ainsi, 3 métabolites (thréonine, isoleucine et glutamine) ont été associés à la réponse complète pathologique (14) . Dans le sous-groupe des cancers du sein avec amplifi cation du gène HER2, chez des patientes traitées en néoadjuvant par l’association paclitaxel + trastuzumab, 2 métabolites, la spermidine et le tryptophane, ont été associés à la réponse au trai- tement (les “bons répondeurs” présentent une aug- mentation des niveaux de spermidine et une faible concentration de tryptophane) [15] .
Figure 3. Représentation schématique des principaux métabolites augmentés (en rouge) ou diminués (en bleu), après 7 semaines de traitement par inhibiteur de mTOR (21).
MÉTABOLISME DES ACIDES AMINÉS MÉTABOLISME DES GLUCIDES MÉTABOLISME DES LIPIDES MÉTABOLISME ÉNERGÉTIQUE Non détecté
W7 W7
FRUCTOSE & MÉTABOLISME DU MANNOSE
Mannose Fructose Glucose
MÉTABOLISME DE L’HISTIDINE G3P
Glycerate-3-P
Methionine PEP
R5P Histidine Tryptophane Tyrosine BIOSYNTHÈSE DE
LA PHÉNYLALANINE, DE LA TYROSINE ET DU TRYPTOPHANE
Phenylalanine
MÉTABOLISME PHOSPHATEDU Myo-Inositol
MÉTABOLISME DES GLYCÉROPHOSPHOLIPIDES GlycéroPcholine Choline BIOSYNTHÈSE DE LA VALINE,
DE LA LEUDINE & ISOLEUCINE Valine
Leucine Isoleucine
MÉTABOLISME DU PYRUVATE Acetyl-CoA
Acetoacety-CoA
Lactate
MÉTABOLISME DE LA TYROSINE Tyrosine Hydroxybutyrate
MÉTABOLISME DU BUTANOATE SYNTHÈSE ET DÉGRADATION
DES CORPS CÉTONIQUES Acétoacétate
Acétone MÉTABOLISME
DU MÉTHANE Méthane
Formate
Méthanol MÉTABOLISME DU PROPANOATEAcétate
Éthanol MÉTABOLISME
DU SOUFFRE Malate
Glycine Betaine
Threonine MÉTABOLISME DE LA GLYCINE, DE LA RÉNINE ET DE LA THRÉONINE
Alanine Serine
Asparagine Aspartate
MÉTABOLISME DE L’ALAMINE, DE L’ASPARTATE ET DU GLUTAMATE
DÉGRADATION DE LA LYSINE
OAA
Isocitrate Fumarate
Succinyl-CoA Succinate
BIOSYNTHÈSE DE LA LYSINE Citrate
Lysine 2-Oxoglutarate
CYCLE DE L’ACIDE
CITRIQUE
MÉTABOLISME D-GLUTAMINE
& D-GLUTAMATE Glutamine Glutamate
Citrulline Ornithine Arginine
Proline
Créatine
Créatinine MÉTABOLISME DE L’ARGININE
ET DE LA PROLINE
à ces chimiothérapies (16) .
Depuis ces dernières années, l’évaluation de l’infi ltration tumorale par les cellules immunocompétentes est apparue comme un outil permettant de prédire la réponse à de nombreux traitements. Diff érentes méthodologies d’éva- luation du système immunitaire ont donc été développées, à commencer par le suivi direct des sous-populations lym- phocytaires ont donc été développées, à commencer par l’évaluation directe des sous-populations lymphocytaires (immunophénotypage) dans le tissu tumoral et, éventuel- lement, dans le sang circulant. Ainsi, les lésions cancéreuses favorisent la production par la moelle de cellules myéloïdes immatures ayant des fonctions immunosuppressives. Un des modes d’action de ces cellules passe par la privation de métabolites particuliers comme le tryptophane (17) et l’arginine, dont les conséquences pourraient être évaluées par des approches de métabolomique.
La métabolomique pour le suivi des traitements
L’analyse du métabolome circulant est surtout un mar- queur dynamique, facile d’accès, pour suivre les patients sous traitement. En eff et, une simple prise de sang, sans procédure préanalytique complexe, permet d’obtenir rapidement un profi l métabolomique rapide, par exemple au moyen d’une spectroscopie par résonance magné- tique nucléaire (tableau, p. 20) [18] . Ce profi l peut être modifi é par un traitement comme la radiothérapie, un agent cytotoxique standard de chimiothérapie ou une thérapie ciblée. Ainsi, la radiothérapie modifi e le métabo- lome circulant, avec des métabolites dont le niveau dimi- nue sous traitement (acides aminés et gras, notamment) et d’autres dont le niveau augmente (citrate, etc.) [19] . Il est particulièrement intéressant d’étudier l’évolution du métabolome circulant pour des thérapies qui ont une infl uence directe sur les voies métaboliques. Par exemple, l’évérolimus ou le temsirolimus, qui inhibent mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex), induisent des changements importants dans les voies métaboliques (fi gure 2, p. 21) , notamment celles du
Ces variations se produisent particulièrement dans les tissus sains (foie, muscle, tissu adipeux), mais aussi dans les tissus tumoraux (ce qui explique en partie l’effi cacité de ces médicaments dans plusieurs types de cancer).
Lorsque ces traitements sont administrés, ils induisent ainsi des hyperglycémies à jeun, des hypercholestéro- lémies et des hypertriglycéridémies. Notre équipe a donc étudié le métabolome circulant de patientes ayant un cancer du sein avec amplifi cation du gène HER2 en cours de traitement néoadjuvant par l’association évérolimus + trastuzumab, ainsi que des patients ayant un cancer du rein traité par temsirolimus (en association avec du bévacizumab ) . Des modifications rapides et spécifiques du métabolome (dans les premières semaines de traitement) ont été mises en évidence.
Ces modifi cations sont directement dépendantes de l’inhibition de mTORC1 (fi gure 3) , mais elles n’ont pas pu être corrélées à la réponse aux traitements (20-21) .
Conclusion
L’analyse du métabolome circulant permet d’obtenir des informations supplémentaires sur la pathologie cancéreuse et est donc probablement complémentaire de l’analyse de l’expression génique. Le métabolome cir- culant est surtout le refl et des interactions qui existent entre l’environnement tumoral et l’état physiopatho- logique de l’hôte. Il est intéressant de noter que des études indépendantes analysant le métabolome circu- lant dans des situations cliniques similaires retrouvent des signatures métaboliques équivalentes. Ainsi, pour identifi er les cancers du sein au stade métastatique, 2 études diff érentes retrouvent, de la même façon, des élévations du niveau de phénylalanine et de glutamate (9, 18) . Cependant, l’incorporation de la métabolomique dans la pratique clinique ne pourra pas se faire tant que cet outil n’aura pas été testé de façon prospective dans une étude multiparamétrique intégrant la génomique tumorale. La pertinence clinique des informations addi- tionnelles fournies par le métabolome circulant reste
donc pour l’instant incertaine. ■
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R é f é r e n c e s
Les auteurs déclarent ne pas avoir de liens d’intérêts.
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