Croissance tumorale C. Hennequin Service de Cancérologie-Radiothérapie, Hôpital saint-Louis

L’organisme humain est pluricellulaire et pluritissulaire Tous les tissus de régénèrent (sauf le tissu nerveux noble, les neurones) C’est à dire: Les cellules maturent puis meurent Et sont remplaçées par Division cellulaire (mitose) des cell. Jeunes (Cell. Souche) Formation de cell. Identiques, dont l’une va maturer Et l’autre n’évolue pas (reste cell. Souche).

Homéostasie cellulaire Prolifération Apoptose Différenciation Sénescence

Cancérogénése: perte de l’homéostasie cellulaire Pour diverses raisons, une ou plusieurs cellules Se mettent à proliférer Et ne respectent plus les besoins normaux du tissu

Cancer: maladie de l’ADN Succession dans une même cellule de mutations: sur des gênes normaux impliqués dans le processus de division cellulaire Perte des génes « suppresseurs » (p53; Rb) (proto-oncogéne --------------------> oncogéne) mutation Amplifications: multiples copies d’un géne Délétions: perte d’un géne Translocations d’un géne sur un autre: => création d’une nouvelle protéine hybride

Cancérogénése: Processus multi-étapes Initiation: Altération du génome d’une cellule normale Pas de modifications phénotypiques Non suffisante à la cancérogénése Promotion: Processus prolongé Nécessitant des expositions répétées à des agents carcinogénes Anomalies du noyau Progression: Divisions successives et dévellopement du clone malin

Les caractéristiques du cancer 1. Auto-suffisance en facteurs de croissance 2. Insensibilité aux signaux inhibiteurs de croissance 3. Absence d’apoptose 4. Potentiel réplicatif illimité 5. Capacité d’angiogénése 6. Capacité d’invasivité et de métastaser Hanahan & Weinberg, Cell, 2000

Progression tumorale Divisions cellulaires Cell. transformée Clone malin Dédiférenciation progressive Cell. différenciées Cell. indiférenciées Cell. morphologiquement proche du tissu normal Certaines cell. acquièrent de nouvelles caractéristiques

Cycle cellulaire 1 cell.-mère -----------> 2 cell. Filles identiques Etre humain: 10 000 milliards de cell. Ts les jours: 1 milliards de cell. doit être renouvelé (Peau, tube digestif, systéme hémato.,…)

Croissance exponentielle Après X cyles => Nbre de cell: 2X Après 30 cycles: 230 ou 109 cellules --> 1 gr Après 40 cycles: 1012 cell.: ---> 1 kg Si on considère que le temps de cycle (Tc) est constant: 100 102 104 106 108 N = N0. 2 t/Tc N0: Nbre initial de cell. t: durée de la croisance cellulaire Nbre de Tps de doublement

Croissance tumorale

Croissance tumorale Temps de doublement (TD): temps pendant lequel le nombre de cellules tumorales a doublé Mesure difficile Croissance exponentielle: 1 cell. --> 2 cells --> 4 cell. --> 8 cell. --> Vitesse de croissance <---> temps de cycle cellulaire Croissance non exponentielle Car: pertes cellulaires, cellules quiescentes,

Croissance tumorale: compartiments cellulaire Cellules proliférantes, En cycle Cellules stériles Ou différenciées Cellules mortes Cellules quiescentes (G0) Pertes cellulaires: - Nécrose - Apoptose - Différenciation

Fraction proliférante (Growth Fraction) Croissance tumorale En fonction de la GF GF: Variable d’une tumeur à l’autre Type tumoral GF(%) Sein 25 - 61 Mélanome 25 - 70 Epidermoïde 36 - 82 Estomac 58 AML 24 ALL 18 - 25 100 102 104 106 108 100% 50% 25% 10% Nbre de Tps de doublement

Pertes cellulaires Exprimées en: Taux (KL) : fraction de cell. perdues par unité de temps Fraction: (cell loss factor) Nbre de cell. Perdues/Nbre de cell. naissantes Peau, Muqueuses, Intestin: en perpétuel remaniement Facteur de perte cellulaire (cell loss factor): 1.0 ou 100%

Pertes cellulaires (%) L.I.(%) TD(jours) Tpot (jours) Pertes cellulaires (%) Cancers colo-rectaux 15 90 3.1 96 Cancers ORL 6.9 45 6.8 85 Cancer bronchique à pts cell. 19 2.5 97 Mélanomes 3.3 52 14 73 Sarcomes 2.0 39 23 40 Lymphomes 3.0 22 16 29 Tumeurs de l’enfant 13 20 3.6 82

Facteurs affectant la croissance tumorale Temps de cycle Cellulaire (± 2 jours) Temps De doublement Potentiel (Tpot) Temps de Doublement (TD) Fraction proliférante Pertes Cellulaires Tpot = l. Ts/L.I. Ts: durée de la phase S; L.I.: labelling Index: % de cell. En phaseS

Croissance tumorale Si GF et Cell loss factor restent constants => croissance exponentielle En fait, GF et pertes cellulaires varient en fonction du volume tumoral GF diminue avec le temps Les pertes cellulaires augmentent

Croissance tumorale Exponentielle (leucémies) Nbre De cell. (log10) Gompertzienne (tumeurs solides) Tissu normal Temps Initiation Promotion

Croissance tumorale gompertzienne 1012 Seuil de détection clinique TD Nbre de cell. Poids 40 1012 1 Kg 30 109 1 Gr 20 106 1 mg 10 103 1µg 109 106 103 Période Infra-clinique 1 Temps Nbre De cell. (log10)

Concept de micro-métastases Traitement De la tumeur primitive 1012 109 Seuil de détection clinique 106 103 1 Temps Nbre De cell. Métastase

Croissance tumorale: evaluation en pratique clinique Clinique: Mesure des nodules cutanés, des ganglions Schéma daté Radiologique: mesure des masses tumorales au scanner Biologique: Marqueurs tumoraux Myélome: secrétion d’immunoglobulines Tumeurs solides: ACE, CA15-3; CA 125; PSA BHCG; a foetoprotéine

Méthodes de mesure de la prolifération tumorale Thymidine Labelling Index (L.I.) Incorporation de thymidine uniquement dans l’ADN Thymidine marquée avec 3H ou 14C Détection par autoradiographie Données morphologiques Ou par comptage => % de cellules en phase S

Méthode des mitoses marquées Injection de thymidine tritiée chez l’homme ou l’animal => Mesure du temps de cycle (Tc)

2 .Cytométrie de flux Les cell. Passent une par une dans un faisceau laser (jusqu’à 10 000 cell./sec) Information sur la taille cellulaire Marquage par Iodure de Propidium :colorant rouge => se fixe sur l’ADN => Qtte d’ADN Nbre de cell. En phase S Index de l’ADN (ploïdie) In the flow cytometer, the stained cells flow through a laser beam which excites the fluorochromes FMC: green; PI: red -> the colours can be separeated ad their intensities measured for each cell using photomuliplier tubes -> up to 10 000cells per second can be analyzed

Cytométrie de flux

Marquages aux analogues de la thymidine - Dérivés halogénés: Bromo-deoxyUridine (BrdUr) Iodo-deoxyUridine (IUdR même métabolisme que la thymidine Détectés par Ac. Monoclonaux marqués Par un colorant Couleur verte en CytoFluo. Nbre de Cell. En phase S Avec des mesures répétées dans le temps: mesure du Tc

Mesure du Tpot chez l’homme (relative movement) Mesure du Ts, LI et Tpot avec une seule biopsie Injection IV de BrUdr ou IdUrd Quelques heures (temps t) après biopsie tumorale Analyse mathématique en fonction du temps t en assumant que la progression dans le cycle est linéaire pour toutes les cellules

Résultats chez plus de 2000 pts Site N° pts LI (%) Ts (Hr) Tpot (d) ORL 712 9.6 11.9 4.5 (1.8 - 5.9) SNC 193 2.6 10.1 34.3 (5.4 - 63.2) Estomac 183 10.5 13.5 5.8 (4.3 - 9.8) Colon 345 13.1 15.3 4.0 (3.3 - 4.5) Sein 159 3.7 10.4 10.4 (8.2 - 12.5) Col utérin 9.8 12.8 4.8 (4.0 - 5.5) Mélanome 24 4.2 10.7 7.2 Lung 27 9.9 8.2

Marqueurs de proliferation Détectés par IHC Ki67 proteine nucléaire associée aux cell. proliférantes Facteur pronostique DNA polymérases PCNA, auxillaire de la DNA polymérase Mesure de la fraction de cell. En phase S Cyclines, en particulier la cycline D1 (Cancer du sein) Histones H3 (Phase S) et H4 Marquage des régions organisatrices du nucléoles (argyrophiles)

Hétérogénéité de la prolifération au sein d’une même tumeur La prolifération cellulaire est différente d’une région tumorale à l’autre Dépend étroitement de la vascularisation (Tannock, 1968) Les cell. Proches des Vx prolifèrent et la GF diminue au fur et à mesure qu’on s’éloigne des capillaires

Implications cliniques Cinétique tumorale: facteur pronostique ? Implications pour les traitements

POTENTIAL DOUBLING TIME T pot: Doubling time of clonogens cells in the absence of cell loss Best predictor of tumor capacity for repopulation

MEASURE OF THE T pot In vivo measurement IV Infusion of BrdUrd Biopsy of the tumor 4 to 8 hours after BrdUrd Cellular preparation with anti-BrdUrd MoAb and propidium iodide Flow cytometry LI: Labelling index: % of cells incorporating BrdUrd Total DNA was determined by staining using propidium iodide Ts: duration of DNA phase S Li could be calculated for diploïd and aneuploïd cells separately.  is assumed to be 0,8 T pot:  Ts/LI

EORTC STUDY T pot was analysed in 53 pts Results: Begg, IJROBP, 1990 Randomized study beetween Conventional RT and hyperfractionation T pot was analysed in 53 pts Results: • Ts = 10,7 hours (± 4.7) • LI = 11.7% • T pot = 4,5 days

EORTC STUDY Correlation beetween Tpot and Local control Tpot≤ 4.6 d Conventional RT Hyperfractionation 2/6 33,3% 5/9 55,5% 8/11 72,7% 3/4 75% Le taux de controle local est influencé par le Tpot uniquement chez les patients traités de manière classique. L'hyperfractionnement fait disparaitre le Tpot comme facteur pronostique. Cependant, non significatif, car faibles effectifs. NS

CORRELATION OF THE T pot WITH LOCAL CONTROL J. Bourhis, IJROBP, 1993 Oropharyngeal cancers 48 Pts ns

J. Bourhis, IJROBP, 1993 T pot Oropharyngeal cancers T2 stage 25 pts p<0.05 LI p<0.01

Marqueurs cinétiques: une réelle valeur pronostique ? Compilation des séries de 11 centres dans les cancers ORL (Begg, Radioth. Oncol., 1999) Tpot: aucune valeur pronostique LI: valeur pronostique en univariée Qui disparaît en multivariée Abandon de la technique

Paramètres cinétiques (Begg, Radioth. Oncol., 1999) 476 pts Cancers ORL

Cancer de prostate: Intérêt de la vélocité du PSA 261,1,2,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0 Item 1 Item 2 Item 3 Item 4 Item 5 Item 6 Item 7 Item 8 Item 9 Cancer de prostate: Intérêt de la vélocité du PSA Après Chirurgie Après Radiothérapie D’Amico, NEJM, 351: 125-135, 2004 D’Amico, JAMA, 294: 440-447, 2005

Implications pour les traitements Chimiothérapie Radiothérapie Durée de traitement Permet à la tumeur de croître entre les cycles ou les séances Chimiothérapie: concept de dose-intensité Radiothérapie: étalement

Carcinoma of the Larynx J. Overgaard, Acta Oncologica, 1988 Frequency of local tumour control and late radiation morbidity Schedule Tumour control Late oedema Fistula 57 Gy daily rad. 60 Gy daily rad. 68 Gy split-course 72 Gy split-course 63±3% 74±4% 61±8% 73±6% 2±1% 6±2% 24±7% 53±6% 23±6% 21±9% 75±21% 92±8%

Head and Neck Cancers Influence of radiation schedule Amdur, IJROBP, 1989

LITTERATURE REVIEW OF CORRELATION BEETWEEN LOCAL CONTROL AND OVERALL TREATMENT TIME JF. Fowler, IJROBP, 1992 12 published clinical results have been reviewed A significant loss of local control was observed with prolongation of radiotherapy Loss of local control per week: 14% [3-25%]

LOSS OF LOCAL CONTROL IN HEAD AND NECK CANCERS FOR A ONE WEEK PROLONGATION Authors Site n Loss %/wk Taylor Amdur Maciejewski CC Wang Bataini Mendehall Overgaard Pajak Budihna Barton Parsons Hoekstra Larynx Head and neck Oropharynx Tonsil Tongue Sup larynx 473 161 310 140 466 31 92 426 52 1012 468 203 15-25 21 20 Avg 20 14 9-14 12 Avg12 9 3

Effet de la repopulation tumorale entre les cycles de chimiothérapie D'après Tannock, Lancet-Oncology, Octobre 2000 TD: 1 semaine TD: 1 mois 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 3 6 9 12 semaines semaines 3 6 9 12 80% des cellules tuées par cycle 95% des cellules tuées par cycle

Modifications du fractionnement Fractionnement standard: 5 x 2 Gy/ semaine 70 Gy <------> 7 semaines Fractionnement accéléré: Dose identique, en moins de temps But: combattre la repopulation tumorale Hyperfractionnement: Augmentation de la dose totale en diminuant la dose par fraction (utiliser au maximum l ’effet différentiel) Tumeur/tissu sain Etalement identique

Etude DAHANCA 1485 pts inclus Overgaard, Lancet, 2003 1485 pts inclus Cancers ORL traités par Radiothérapie exclusive 66-68 Gy Randomisés entre: - 6 jours par semaine ou - 5 jours par semaine (traitement le samedi)

Etude RTOG (Fu; IJROBP, 2000) 70 Gy; 35F; 7 wks CF 81.6 Gy; 68F; 6.8 wks HFX 67.2 Gy; 42F; 6 wks AFX-S 72 Gy; 42 F; 6 wks AFX - CB

Etude RTOG (Fu; IJROBP, 2000)

Traitements accélérés Principaux essais de Phase III Stades Etalement (semaines) Dose totale (Gy) Contrôle local (%) Survie Vancouver EORTC CHART DAHANCIA 6-7 CAIR GORTEC 82 512 918 1485 100 268 III-IV T2-T4 T1-T4 T3-T4 3,5 6,5 5 7 12 jours 4 5,5 3 66 72 70 54 68 62-64 50 45 59 46 48 66 57 82 37 58 34 - 27 25 43 72 65 78 32 * * *(**) *Différence significative ** Survie spécifique

Radiothérapie accélérée : Principaux essais de Phase III Contrôle tumoral Toxicité tardive Très accéléré / dose totale identique Vancouver CHART GORTEC EORTC DAHANCA CAIR =     =  Très accéléré / dose totale diminuée Accéléré / dose totale identique Modéremment accéléré / dose totale identique

Un composant fondamental de la réflexion en cancérologie Cinétique cellulaire Un composant fondamental de la réflexion en cancérologie