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Si l’on veut savoir si la tumeur d’un patient répondra à un régime thérapeutique spécifique, il faut examiner la réponse de cette tumeur humaine, et non d’une tumeur de souris, à la thérapie

De nombreux modèles murins ont été développés pour étudier le cancer humain. Ces modèles sont utilisés pour étudier les facteurs impliqués dans la transformation maligne, l’invasion et les métastases, ainsi que pour examiner la réponse à la thérapie. L’un des modèles les plus largement utilisés est la xénogreffe de tumeur humaine. Dans ce modèle, des cellules tumorales humaines sont transplantées, sous la peau ou dans le type d’organe dans lequel la tumeur a pris naissance, chez des souris immunodéprimées qui ne rejettent pas les cellules humaines. Par exemple, la xénogreffe sera facilement acceptée par des souris nude athymiques, des souris SCID (severely compromised immunodeficient) ou d’autres souris immunodéprimées (Morton et Houghton, 2007). En fonction du nombre de cellules injectées ou de la taille de la tumeur transplantée, la tumeur se développera sur une période de 1 à 8 semaines (ou dans certains cas de 1 à 4 mois, voire plus), et la réponse aux régimes thérapeutiques appropriés pourra être étudiée in vivo. Un autre type de modèle animal pour l’étude du cancer humain est le modèle de souris génétiquement modifiées (GEM). Le profil génétique de ces souris est modifié de telle sorte qu’un ou plusieurs gènes supposés être impliqués dans la transformation ou la malignité sont mutés, supprimés ou surexprimés ; par la suite, l’effet de la modification de ces gènes est étudié au fil du temps et les réponses thérapeutiques à ces tumeurs peuvent être suivies in vivo. Les souris nude athymiques et les modèles de xénogreffes de souris utilisant des lignées cellulaires de tumeurs humaines sont utilisés depuis des décennies pour améliorer notre compréhension des facteurs affectant la croissance des tumeurs. Cependant, des informations récentes concernant l’influence clé du microenvironnement tumoral sur la progression et la croissance des tumeurs ont conduit à une plus grande confiance dans les modèles de tumeurs GEM utilisant des souris immunocompétentes, ainsi qu’à l’utilisation de xénogreffes de tumeurs humaines primaires dans des modèles de souris humanisées. En fait, les modèles de xénogreffes sont souvent considérés comme inférieurs aux modèles GEM. Dans cet article, j’espère montrer que chaque modèle a son utilité dans le diagnostic du cancer et dans les modalités thérapeutiques précliniques.

Plusieurs critères ont récemment été suggérés pour les modèles GEM de cancers humains : (1) les souris doivent être porteuses de la même mutation que celle qui se produit dans les tumeurs humaines ; (2) les mutations doivent être conçues dans le locus endogène et non exprimées sous forme de transgène ; (3) les gènes mutés doivent être silencieux pendant l’embryogenèse et le développement postnatal précoce, sauf dans les modèles de tumeurs pédiatriques héréditaires ; (4) les mutations doivent se trouver dans les tissus cibles spécifiques dans des types de cellules sélectionnés ; et (5) les mutations doivent se produire dans un nombre limité de cellules. D’autres « caractéristiques souhaitées » sont que le type de tumeur et l’anatomopathologie doivent être aussi similaires que possible à ceux observés dans les tumeurs humaines, et que le développement de la tumeur doit passer par les mêmes étapes « prénéoplastiques » ou des étapes similaires (M. Barbacid, Keystone Symposium on Inflamation, Microenvironment and Cancer, 2008, et communication personnelle). Un autre critère important, qui est difficile à atteindre dans les modèles GEM, est que l’environnement hôte/tumeur doit être reproductible dans le modèle. En outre, bien que les modèles de tumeurs murines utilisant des GEM soient très utiles pour évaluer les effets d’une mutation, d’une délétion ou d’une amplification spécifique d’un ou deux gènes au cours de la progression tumorale murine, ils ne peuvent généralement pas reproduire entièrement la complexité génétique des tumeurs humaines. Par exemple, chez l’homme, les mélanomes malins et d’autres types de tumeurs présentant des degrés similaires d’hétérogénéité génétique présentent un degré élevé d’aneuploïdie, et le gain ou la perte spécifique de gènes varie énormément d’une cellule à l’autre au sein d’une même tumeur. Ainsi, bien que ce modèle présente des forces importantes, il présente des faiblesses innées qui peuvent affecter profondément l’utilisation de ces souris pour prédire la réponse d’un patient à une thérapie.

Si l’on veut savoir si la tumeur d’un patient répondra à un régime thérapeutique spécifique, il faut examiner la réponse de cette tumeur humaine, et non d’une tumeur de souris, à la thérapie. C’est là que la xénogreffe de tumeur humaine sur des souris nude athymiques, des souris SCID ou des souris humanisées diabétiques non obèses (NOD)/SCID peut être utile (Fig. 1). Bien que certains composants du système immunitaire soient absents lorsque l’on choisit des modèles de souris nude ou SCID, chez les souris nude athymiques, les cellules B, les cellules dendritiques et les granulocytes sont tous relativement intacts, et il y a une augmentation compensatoire de l’activité des cellules tueuses naturelles (NK) et des macrophages tumoricides chez ces souris. De plus, on peut affirmer qu’au moment où ces lésions métastatiques sont retirées chirurgicalement ou biopsiées, la tumeur a déjà échappé à la surveillance immunitaire et à la destruction des cellules par les cellules immunitaires. Dans cet éditorial, je discuterai des avantages et des inconvénients des xénogreffes de tumeurs humaines, par rapport aux modèles GEM, comme méthode d’analyse des réponses potentielles des tumeurs des patients à la thérapie (Fig. 1).

L’utilisation de xénogreffes de tumeurs humaines pour examiner les réponses thérapeutiques aux médicaments présente plusieurs avantages clés : (1) on peut utiliser le tissu tumoral humain réel, qui présente la complexité des anomalies génétiques et épigénétiques qui existent dans la population tumorale humaine ; (2) les xénogreffes de tumeurs humaines peuvent être utilisées pour aider au développement d’approches thérapeutiques moléculaires individualisées ; (3) des résultats peuvent être obtenus en quelques semaines à partir d’une biopsie de tumeur humaine concernant la réponse au traitement, alors que les modèles GEM nécessitent souvent jusqu’à un an pour se développer avant le traitement médicamenteux ; (4) de multiples thérapies peuvent être testées à partir d’une seule biopsie de tumeur ; (5) des données provenant de microréseaux de tissus et de microréseaux génétiques peuvent être facilement obtenues à partir de la biopsie humaine et du tissu de xénogreffe, avant et après la thérapie médicamenteuse, pour une analyse approfondie avant que le patient ne soit soumis à une thérapie qui pourrait ne pas fonctionner ; (6) les xénogreffes orthotopiques peuvent être placées de manière appropriée pour reproduire l’environnement de l’organe dans lequel la tumeur se développe, de sorte que l’effet de la tumeur sur son microenvironnement peut être modulé, à l’exception toutefois de certaines populations de lymphocytes T ; (7) le stroma du microenvironnement de la tumeur humaine peut être inclus dans la xénogreffe pour imiter plus complètement le microenvironnement de la tumeur humaine ; et (8) les xénogreffes utilisant des souris NOD/SCID qui ont été « humanisées » par injection de sang périphérique ou de cellules de moelle osseuse, permettent une reconstitution presque complète de la réponse immunitaire à la tumeur. Les xénogreffes utilisant des lignées cellulaires humaines pour tester les réponses aux médicaments ne sont pas souvent en corrélation avec l’activité clinique chez les patients (Kerbel, 2003). En revanche, lorsque des tumeurs primaires sont utilisées comme xénogreffe orthotopique, la valeur prédictive de la réponse est plus forte, en particulier lorsqu’un dosage de médicament cliniquement pertinent est utilisé (Johnson et al., 2001 ; Kerbel, 2003 ; Scholz et al., 1990). Trois types différents de réponse au traitement peuvent être évalués : l’effet sur le taux de croissance de la tumeur, l’effet sur la réduction/régression de la tumeur et la survie. L’effet d’un médicament sur le taux de croissance de la tumeur ou la cytostase est souvent plus prédictif d’une réponse clinique que la diminution ou la régression de la tumeur (Kelland, 2004). De plus, les modèles de tumeurs sous-cutanées qui ne sont pas orthotopiques et ne représentent pas des sites appropriés pour les tumeurs humaines ne sont pas prédictifs lorsqu’ils sont utilisés pour tester les réponses aux médicaments anticancéreux (Killion et al., 1998). Un défi présenté par les modèles orthotopiques, par rapport aux modèles sous-cutanés, est la difficulté de suivre la croissance de la tumeur. Cependant, le développement récent de nouvelles techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de micro-imagerie peut minimiser ce problème.

L’utilisation du modèle de xénogreffe de souris pour surveiller et/ou prédire les réponses thérapeutiques dans le cancer présente plusieurs autres inconvénients et défis. Les modèles de tumeurs orthotopiques prennent du temps, sont coûteux et constituent un défi technique. En outre, si des souris athymiques nude ou SCID sont utilisées, la réponse à médiation lymphocytaire à la tumeur est perdue, c’est-à-dire que les souris nude perdent certaines réponses des lymphocytes T et les souris SCID perdent leurs réponses des lymphocytes T et B. Cependant, ces déficits immunologiques ne peuvent pas être compensés par l’utilisation d’un modèle de xénogreffe de souris. Toutefois, ces déficits immunologiques peuvent, en principe, être largement surmontés en greffant des tumeurs humaines sur des souris NOD/SCID « humanisées ». Cela réduit considérablement nombre des inconvénients des modèles de xénogreffes de tumeurs humaines orthotopiques pour l’étude de la réponse thérapeutique. Cependant, la restauration complète du système immunitaire chez la « souris humanisée » n’est pas possible, car la restauration des éléments de sélection HLA de classe I et de classe II dans les populations de cellules T reste un défi (Bernard et al., 2008). De plus, pour réaliser ces expériences, les souris nouveau-nées doivent être irradiées, puis greffées avec des cellules souches hématopoïétiques CD34+ humaines provenant de sang de cordon ombilical humain. Le calendrier d’obtention du sang de cordon, d’irradiation des souris nouveau-nées et de vérification du phénotype humanisé des souris NOD/SCID après la greffe, rend cette procédure assez lourde, mais très précieuse.

En dépit des inconvénients du modèle de xénogreffe pour prédire la réponse clinique au traitement, il existe un certain nombre de succès importants. Par exemple, les xénogreffes de lignées cellulaires de myélome multiple dans des souris syngéniques répondent à l’inhibiteur du protéasome, bortézomib/VELCADE®, qui s’est révélé très prometteur pour le traitement du myélome multiple (LeBlanc et al., 2002 ; Moreau et al., 2008 ; Oyajobi et Mundy, 2003). L’association de bortézomib et de melphalen a été démontrée pour la première fois comme étant efficace dans le traitement du myélome multiple lors d’essais précliniques sur des xénogreffes, ce qui a conduit à un succès dans les essais cliniques, suivi d’une nouvelle norme recommandée de soins cliniques pour les patients atteints de myélome multiple âgés de plus de 65 ans (Mateos et al., 2006 ; Mitsiades et al., 2003). Il a été démontré que l’Herceptin renforce l’activité antitumorale du paclitaxel et de la doxorubicine contre les xénogreffes de cancer du sein humain surexprimant HER2/neu, ce qui a conduit à des essais cliniques ultérieurs réussis (Baselga et al., 1998 ; Sporn et Bilgrami, 1999). Des anticorps neutralisants ciblant le récepteur 2 du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGFR2) en association avec le paclitaxel se sont révélés efficaces pour inhiber la croissance tumorale et la propagation métastatique dans un modèle de xénogreffe orthotopique (Davis et al., 2004). Ce travail de base a été suivi par le développement du bevacizumab, un anticorps monoclonal humanisé qui cible le facteur de croissance endothélial vasculaire A (VEGF-A). Le bevacizumab s’est révélé efficace dans les essais cliniques de phase III pour le carcinome colorectal et rénal et a reçu l’approbation de la FDA en 2004 (Hurwitz et al., 2004 ; Yang et al., 2003). En outre, les modèles de xénogreffe de souris sont utiles pour anticiper la toxicité des thérapies ciblées et, dans d’autres cas, pour identifier d’éventuels biomarqueurs prédictifs de la modulation de la cible. Bien qu’il ne s’agisse que de quelques exemples de l’utilisation réussie des études de xénogreffe, il est clair que, pour de nombreux types de tumeurs humaines, les informations apprises à partir des études de xénogreffe orthotopique de souris utilisant des tumeurs humaines ont conduit à des informations qui ont été traduites en essais cliniques réussis.

Les avantages du GEM sont les suivants : (1) les souris sont immunocompétentes, de sorte que le microenvironnement tumoral peut être reproduit autant que possible dans un modèle tumoral murin ; (2) les anomalies génétiques spécifiques qui sont présentes dans les tumeurs humaines peuvent être reproduites, de manière inductible, à des âges spécifiques dans le type de tissu d’origine ; (3) les étapes de la progression tumorale peuvent être étudiées dans le temps ; et (4) plusieurs approches thérapeutiques peuvent être explorées à divers stades du développement tumoral. Les modèles génétiques sont également utiles dans les souris humanisées, où des gènes humains, tels que les gènes du cytochrome P450 ou les antigènes tumoraux humains, sont exprimés dans les souris pour suivre le métabolisme des médicaments ou les réponses immunologiques à la tumeur (Talmadge et al., 2007). Les inconvénients du GEM sont, premièrement, que la complexité de la tumeur humaine ne peut pas être imitée de manière fiable et, deuxièmement, que les tumeurs de souris ne sont pas des tumeurs humaines et ne permettent pas souvent de prédire ce qui se passera dans la tumeur humaine en ce qui concerne la réponse thérapeutique. Nous pouvons guérir de nombreuses tumeurs de souris, mais il n’y a pas de corrélation directe entre la réponse chez la souris et la réponse en clinique.

En résumé, la xénogreffe de tumeur humaine orthotopique et les modèles GEM sont tous deux utiles pour améliorer notre compréhension du développement et du traitement du cancer. Chacun a ses forces et ses limites, la xénogreffe orthotopique de tumeur humaine étant excellente pour prédire la réponse aux médicaments dans les tumeurs humaines, et le modèle GEM étant le meilleur pour examiner le rôle de gènes spécifiques dans le développement et la progression des tumeurs. Quel que soit le modèle utilisé pour prédire la réponse clinique des patients, il est important d’obtenir une inhibition d’au moins 50 % de la croissance de la tumeur pour obtenir une « réponse » qualifiée au traitement, d’utiliser des doses d’agents thérapeutiques cliniquement pertinentes et de surveiller la survie. En outre, il est important de déterminer si la croissance de la tumeur reprend lorsque le médicament est arrêté et, si c’est le cas, si la reprise de la croissance est plus rapide lorsque le traitement est interrompu qu’avant le début du traitement. Si c’est le cas, malgré toute réponse au traitement médicamenteux, l’effet rebond déconseille l’utilisation de ce régime de traitement médicamenteux pour les types de tumeurs présentant un effet rebond. En conclusion, nous ne disposons pas de modèles murins idéaux de tumeurs humaines, mais devons apprendre à interpréter nos données dans le cadre des limites du test utilisé.