Evaluation of two strategies to control human osteosarcoma cell behaviour : using plant-derived alkaloid of growth factors

Résumé : Les ostéosarcomes sont des tumeurs malignes osseuses primaires qui affectent principalement les enfants et les adolescents. Les thérapies utilisées depuis les 30 dernières années n'ont malheureusement eu que très peu d'effet sur la survie des patients. Ce projet de doctorat évalue deux stratégies pour contrer certaines dérégulations des cellules d'ostéosarcome humain. La première consiste à abolir leur résistance à l'apoptose avec un alcaloïde d'origine végétale. La seconde consiste à accroître leur différenciation ou à réduire leur prolifération en utilisant des protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) et leurs peptides dérivés (pBMPs). La première partie de ce doctorat s'intéresse donc au comportement et à la régulation des cellules d'ostéosarcome en comparaison avec celui des cellules osseuses normales afin d'identifier des cibles potentielles. Elle met l'accent sur trois caractéristiques de l'ostéosarcome: la résistance à l'apoptose, la prolifération incontrôlée des cellules et leur différenciation défectueuse. La sanguinarine, un alcaloïde d'origine végétale, est déjà utilisée pour traiter plusieurs types de cancers (sein et colon). Cet alcaloïde a été choisi pour vaincre la résistance à l'apoptose des cellules d'ostéosarcome. La sanguinarine a éradiqué les deux lignées cellulaires humaines d'ostéosarcome, MG-63 et SaOS-2, d'une manière dépendante du temps et de la dose. Les deux lignées cellulaires se distinguent par des états de différenciation et des taux de prolifération différents. L'alcaloïde induit l'apoptose par les voies extrinsèque et intrinsèque en activant les caspases-8 et -9. La sanguinarine semble agir sur les cellules d'ostéosarcome en fonction de leur potentiel tumorigène. La BMP-2, la BMP-9 et leurs peptides dérivés, pBMP-2 et pBMP-9, ont été utilisés pour contrer la différenciation défectueuse ou la prolifération incontrôlée des cellules d'ostéosarcome. La BMP-2, la BMP-9 et le pBMP-9 activent la phosphorylation des Smads dans les deux lignées cellulaires MG-63 et SaOS-2. Le pBMP-2 n'a eu aucun effet sur ces cellules d'ostéosarcome. Alors que le pBMP-9 agit sur la voie canonique des BMPs, il n'a cependant eu aucun effet significatif sur l'expression des gènes des marqueurs ostéogéniques à 6h. La BMP-2 induit essentiellement la phosphorylation de ERK 112, tandis que la BMP-9 et le pBMP-9 activent la voie p38. De plus, un inhibiteur de MEK1 bloque complètement l'augmentation de la phosphorylation de ERK1/2 induite par la BMP-2 et renforce la phosphorylation de la p38 en présence de BMP-9 ou du pBMP-9. Le traitement avec la BMP-2 ou la BMP-9 et l'inhibiteur MEKI augmente l'expression de gènes codant pour des marqueurs ostéogéniques précoces dans les cellules SaOS-2, tout en inhibant la croissance des cellules MG-63. Ainsi, la sanguinarine ou les BMPs en combinaison avec un inhibiteur MEKI pourraient donner lieu à un traitement anti-cancéreux prometteur. D'autres expériences sont néanmoins nécessaires pour déterminer leurs effets sur les cellules souches cancéreuses. // Abstract : Osteosarcomas are malignant primary bone tumours that normally occur in children and adolescents. Currently used therapies have not measurably improved patient survival rates over the last 30 years. This doctoral research evaluates two strategies for overcoming the major features of osteosarcoma cells. One is to abolish their resistance to apoptosis with a plant-derived alkaloid. The other is to block their defective differentiation or uncontrolled proliferation with bone morphogenetic proteins (BMPs) and peptides derived from them (pBMPs). The first part of this thesis compares the behaviour and regulation of osteosarcoma cells and normal bone cells to identify potential targets. It focuses on three features of osteosarcoma: resistance to apoptosis, uncontrolled cell proliferation, and defective cell differentiation. The plant-derived alkaloid, sanguinarine, is already used to treat several cancers (breast and colon). It was selected to overcome the resistance of osteosarcoma cells to apoptosis. Sanguinarine killed both MG-63 and SaOS-2 human osteosarcoma cells in a time- and dose-dependent manner. These two cell lines have different differentiation states and proliferate at different rates. The alkaloid induces apoptosis through the extrinsic and intrinsic pathways, activating both caspases-8 and -9. Sanguinarine seems to act on osteosarcoma cells depending on their tumourigenic potential. BMP-2, BMP-9, and their derived peptides, pBMP-2 and pBMP-9, were used to overcome the defective differentiation or uncontrolled proliferation of osteosarcoma cells. BMP-2, BMP-9, and pBMP-9 activated the phosphorylation of Smad in both MG-63 and SaOS-2 cells. pBMP-2 had no effect on osteosarcoma cells. While pBMP-9 acted on the canonical BMP pathway, it had no significant effect on the expression of genes encoding osteogenic markers at 6h. BMP-2 mainly increased the phosphorylation of ERK1 /2, while BMP-9 and pBMP-9 activated the p38 pathway. A MEKI inhibitor completely blocked the BMP-2-triggered increase in ERK1/2 phosphorylation and enhanced the phosphorylation of p38 induced by BMP-9 or pBMP-9. Treatment with BMP-2 or BMP-9 and MEKI inhibitor increased the the expression of genes encoding osteogenic markers in SaOS-2 cells, while inhibiting the growth of MG-63 cells. Thus, sanguinarine or BMPs plus a MEK I inhibitor could give rise to a promising anti-cancer treatment. Further experiments are now required to determine their effect on cancer stem cells