les métastases osseuses

Stéphane Blouin
Mise à jour : janvier 2012

INTRODUCTION


Les métastases osseuses sont des maladies débilitantes avec une morbidité élevée (douleurs, fractures, compression des racines nerveuses, anémie due à l'envahissement de la moelle osseuse).

metastase vertebrale
Fig.1. Fracture vertébrale

 Elles surviennent chez approximativement 70 % des patients présentant un cancer du sein ou de la prostate. Les métastases osseuses correspondent à un stade avancé et sont habituellement incurables : seulement 20 % des patients avec un cancer du sein sont encore vivant cinq ans après la découverte de métastases osseuses. Le cancer du sein et celui de la prostate sont deux types de tumeurs qui donnent couramment des métastases osseuses. La localisation sélective des cellules tumorales dans l'os est due à :

- 1) à un chimiotactisme spécifique du microenvironnement osseux
- 2) une adhésion sélective des cellules métastatiques sur la surface endothéliale des capillaires de la moelle osseuse
- 3) à des facteurs de croissance et des protéines matricielles extracellulaires appropriés présents dans le microenvironnement.
Ces interactions entre moelle osseuse et cellules cancéreuses ont été évoquées pour la première fois par Paget avec la théorie du " seed and soil " (la graine et le sol).
Les métastases osseuses sont caractérisées, d'un point de vue radiologique, comme étant ostéolytiques ou ostéocondensantes. Cela représente deux extrêmes d'un continuum dans lequel le dérèglement du processus normal de remodelage osseux intervient et altère la masse osseuse ainsi que la microarchitecture osseuse. Les cancers du sein sont le plus souvent associés à des métastases ostéolytiques (ou mixtes) tandis que les métastases ostéocondensantes sont retrouvées le plus souvent dans les cancers de la prostate.


Bien que le cancer soit une cause majeure de morbidité et de décès en Occident, un des obstacles majeurs dans l'étude de la biologie des cancers a été le nombre limité de modèles animaux. La recherche utilisant les modèles animaux agit comme un pont entre les études in vitro et les essais cliniques humains.

Le rat est un modèle très utilisé grâce à son faible coût, sa manipulation aisé et ses facilités d'élevage. Le rat joue un rôle très important  en pathologie osseuse spécialement dans l'évaluation des maladies  métaboliques. Il a été très utilisé pour l'étude de l'ostéoporose due à l'ovariectomie ou l'orchidectomie, de la circulation sanguine osseuse, de la biocompatibilité de matériaux de prothèses… La taille des os de rats permet une bonne manipulation et elle est intéressante pour évaluer des biomatériaux ou des molécules thérapeutiques ciblant le cancer dans le but de réduire des fractures.

Développement spontané de tumeurs


Chaque souche de rat apparaît avoir un profil spécifique et des tumeurs spontanées peuvent survenir.

Carcinome mammaire

L'incidence du carcinome mammaire spontané varie selon les souches de rat et au cours de la vie de 0 (Copenhagen 2331), à intermédiaire (Sprague- Dawley, Wistar), à élevé (Fischer 344, Brown Norway) (5). Malheureusement, ces tumeurs primaires ne sont pas de bons modèles pour les maladies humaines. La plupart des carcinomes mammaires spontanés ne métastasent pas et provoquent une invasion locale faible.

Carcinome prostatique

Les carcinomes de prostate spontanés sont rares chez les rongeurs et l'incidence apparaît très faible comparée à l'homme. Cependant, certaines souches de rats ont une incidence élevée de néoplasmes prostatiques, dont les rats Lobund Wistar. Jusqu'à 30 % des rats âgés de cette souche  développent un carcinome prostatique. Les rats Lobund Wistar ont une haute concentration de testostérone circulante, ce qui peut les prédisposer au développement d'adénocarcinomes androgène-dépendant. Cependant, ces tumeurs ne métastasent pas dans l'os (14).

Carcinogénèse chimique

Carcinome mammaire

Les carcinomes mammaires ont été induits chez les rats par des agents chimiques ou physiques. Les modèles de cancer mammaire de rat induits chimiquement sont plus efficaces que les modèles induits par radiation. Les carcinogènes chimiques les plus utilisés comprennent l'hydrocarbure aromatique polycyclique DMBA (diméthylbenzanthracène) ou les agents alkylants NMU (N-éthyl- N-nitrosurée) et le MNU (1-méthyl-1-nitrosourée). Après une seule dose de DMBA ou de NMU, un adénocarcinome se développe en 20 jours chez les rats jeunes (de 50-60 jours). Ces cancers  envahissent  parfois les tissus environnant mais métastasent rarement à des sites distants (5).

Carcinome prostatique.

Les adénocarcinomes de la prostate et ceux de la vésicule séminale peuvent être induits chez les rats Noble avec des combinaisons testostérone/oestradiol ou MNU/testostérone. L'administration de MNU et de testostérone chez les rats Lobund Wistar augmente l'incidence de cette tumeur et diminue l'âge de survenue : approximativement 90% des rats développent un carcinome de prostate à 12 mois (12). Ces tumeurs métastasent peu souvent aux  ganglions lymphatiques et aux poumons, et ne métastasent pas à l'os.

Les modèles syngéniques de métastases osseuses

Un modèle syngénique consiste à injecter des cellules tumorales à un animal hôte selon divers protocoles. Ces cellules dérivent d'un animal de la même espèce.

Métastases condensantes (ou ostéoblastiques)

La sous-lignée insensible aux androgènes MAT-Ly-Lu du carcinome prostatique de rat Dunning (R3327)

Initialement découverte en 1961 par W.F. Dunning dans un rat mâle Copenhagen (Cop) âgé de 22 mois, la tumeur parentale originale R3327 a donné de nombreuses sous-lignées suivantes in vivo. Comme certaines de ces sous-lignées produisaient des métastases dans les ganglions lymphatiques (lymph nodes) et les poumons (lung), elle a été appelée la sous-lignée MAT-Ly-Lu pour "Metastatic Anaplastic Tumor metastasizing to Lymph node and Lungs". Les cellules MAT-Ly-Lu peuvent être utilisées avec différentes voies expérimentales :

- Le modèle de Gedolf Rao (4)
Les cellules tumorales MAT-Ly-Lu R3327 ont été injectées par voie intraveineuse via la veine caudale chez des rats Copenhagen mâles ayant un clampage chirurgical transitoire de la veine cave inférieure. Cette procédure reproductible induit une croissance tumorale métastatique dans la région lombaire de la colonne vertébrale. D'un point de vue cellulaire, une activité ostéoclastique et ostéoblastique a été observée dans les vertèbres  lombaires envahies.


- L'injection intracardiaque

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Fig. 2.  fémur de rat Copenhagen un mois après injection IO de cellules MAT-Ly-Lu. Noter la réaction périostée.


Quand ils sont inoculés dans le ventricule gauche du cœur, les rats Copenhagen développent de façon reproductible en 2 à 3 semaines, une paralysie des membres inférieures, signe clinique de métastases osseuses. La paralysie est due à une compression de la moelle épinière par les cellules tumorales issues du corps vertébral.


- L'injection intra osseuse
Récemment, Liepe et coll. ont développé un nouveau modèle en utilisant une injection intra osseuse de cellules MAT-Ly-Lu après avoir foré un trou dans le fût fémoral. Ils ont observé des lésions osseuses ostéoblastiques par évaluation scintigraphique et étude histologique (8). Notre équipe a également développé ce modèle en injectant les cellules en intra osseux après avoir foré un trou dans la partie médiane du fût fémoral. Après injection, le trou cortical est comblé de cire chirurgicale (16). Le développement d'une tumeur ostéoblastique est clairement identifié sur les radiographies, un mois après injection. Cependant, cela représente le développement local d'une tumeur maligne plus qu'une vraie métastase localisée dans l'os après une embolisation vasculaire. Les travées métaplasiques faites de woven bone peuvent être identifiées par histologie dans la zone spongieuse secondaire. Une réaction périostée massive est souvent retrouvée avec un os métaplasique envahissant les tissus environnants.

Le modèle de Pollard


Les tumeurs de Pollard sont des adénocarcinomes prostatiques (PA) se développant spontanément chez 10 % des rats Lobund Wistar (L-W) âgés. L'incidence de telles tumeurs prostatiques augmente significativement suivant les traitements par N-Nitro-N-méthylurée, depo-testostérone et régime alimentaire gras. Quand elles sont déposées sur les os du crâne  (calvaria) ou la scapula de rats L-W, les cellules PA-III ont la capacité de produire :
a) un développement local de tumeur avec  association d'une réaction ostéolytique et d'un réaction ostéoblastique au site de transplantation
b) des métastases aux poumons et la production de tumeurs secondaires.
Le développement local dans l'os requiert la rupture du périoste local par l'aiguille d'inoculation. Le périoste parait agir comme une barrière pour l'établissement de tumeurs PA-III et la réaction ostéoblastique.

Métastases ostéolytiques

Walker 256

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Fig. 3. Fémur d'un rat Wistar, 15 jours après injection IC de cellules W256 .
Notez la destruction de la zone spongieuse primaire.

 

La tumeur  Walker 256 a été pour la première fois observée par Walker en 1928 à l'école de médecine de l'Université John Hopkins ; elle est apparue spontanément dans une glande mammaire d'une rate gestante albinos de 10 mois. Les cellules W256 peuvent être maintenues et propagées in vitro ou in vivo. Après un passage in vitro, les cellules W256 sont susceptibles de se développer en territoire sous cutané, intramusculaire ou en donnant une ascite mais elles ne peuvent induire de métastases osseuses après injection IA. Deux passages in vivo sont requis avant que les cellules induisent des métastases osseuses chez les animaux receveur après injection IA. Les cellules W256 sont de la lignée d'origine et sont déficientes en récepteurs aux oestrogènes. Elles produisent de la PTHrP (parathyroid hormone related protein), lui permettant d'en faire un bon modèle d'hypercalcémie (13). Elles ont aussi été utilisées pour l'induction de métastases osseuses. Différentes voie d'inoculation ont été utilisées dont l'injection IA et intra osseuse. Ces modèles animaux utilisant les cellules W256 ont été décrits pour tester l'effet de bisphosphonates, puissants agents anti-ostéolytiques actifs dans les tumeurs osseuses. Les métastases osseuses sont caractérisables en radiographie, analyse de texture des radiographie, microCT et histologie (17).

La lignée cellulaire 13762 de carcinome mammaire de rat


La lignée cellulaire 13762 de carcinome mammaire de rat a été initialement développée par Segaloff. La lignée a été établie chez des rats femelles Fisher 344 par l'administration de 7,12-diméthylbenzanthracène. C'est une tumeur syngénique spontanée et métastatique  qui a été largement caractérisée in vitro et in vivo. Le carcinome 13762 a été utilisé comme un modèle d'ostéolyse induite par une tumeur. Alvarez et coll. ont évalué la progression de la tumeur par radiographie et microtomographie (microCT) après implantation intra médullaire dans le tibia proximal de femelle de rat Fisher 344 (1). Les tumeurs de carcinome 13762 métastasent aussi dans l'os après injection dans le ventricule gauche de rats Fisher 344.

La lignée cellulaire c-SST2 de carcinome mammaire de rat


La lignée cellulaire c-SST2 comprend des cellules de cancer du sein qui ont apparus spontanément chez des rats SHR (Rats Spontanément Hypertendu). L'inoculation de cellules c-SST2 dans l'aorte thoracique par l'insertion d'un cathéter dans l'artère carotide commune gauche de rats SHR induit des métastases osseuses (15).

Les modèles transgéniques de métastases osseuses

L'établissement de modèles animaux basés sur des cellules de cancers humains (xénogreffes) a une utilité évidente en recherche fondamentale et préclinique. L'activité cytotoxique de nombreux traitements expérimentaux évalués in vitro peut être validée in vivo. Cependant, les tumeurs humaines ne peuvent être tolérées que par des animaux immunodéprimés. Des mutants murins, avec une fonction lymphocytaire T affaiblit, tels que les souris nudes athymiques sont souvent utilisés. Si une immunosuppression plus sévère est nécessaire pour augmenter les chances de greffes, des souris SCID peuvent être utilisées. Des rats athymiques et nudes existent aussi. L'effet anti tumoral du 223Ra émettant des particules a a été évalué dans un modèle expérimental de métastases chez les rats nudes injectés avec des cellules humaines MT-1 de cancer du sein (6). La lignée cellulaire humaine MDA-MB-231 de cancer du sein,  œstrogèno-indépendante a aussi été utilisée avec succès chez les rats nudes (10). Les cellules de carcinomes de glandes mammaires de rat MRMT-1(9), la lignée cellulaire d'ostéosarcome OHS (3) ou les cellules de cancer de prostate humaines (2) ont également été étudiés chez le rat immunodéficient. Cependant, les animaux nude sont assez difficiles à utiliser : ils sont chers, doivent être gardés en conditions stériles et ont une durée de vie courte. Tous les modèles de xénogreffes ont aussi le désavantage de manquer d'interaction physiologique entre l'hôte et la tumeur, en partie parce que le système immunitaire affaibli de ces animaux ne force pas la tumeur à exprimer les mécanismes d'échappement qui interviennent chez l'homme. Enfin, les cellules cancéreuses peuvent ne pas répondre aux facteurs produits par le micro-environnement spécifique à l'animal et vice et versa (19). Néanmoins, l'apparence histologique des tumeurs humaines est relativement bien préservée chez l'animal.

Conclusion

Les modèles animaux sont indispensable pour étudier la pathogénèse des métastases osseuses in vivo et conduit à des essais pharmacologiques précliniques. Cependant, des différences dans les voies métaboliques, les molécules d'adhésion et le réseau de cytokines peuvent différer de l'homme et doivent être prises en compte. Les modèles de rats offrent une approche intéressante pour l'étude de métastases osseuse puisque de nombreuses lignées cellulaires syngénique sont disponibles.

Références


1. Alvarez, E., Westmore, M., Galvin, R. J., Clapp, C. L., Considine, E. L., Smith, S. J., Keyes, K., Iversen, P. W., Delafuente, D. M., Sulaimon, S., Zambrano, C., Ma, L., Sato, M., Martin, T. J., Teicher, B. A., and Galbreath, E. J. Properties of bisphosphonates in the 13762 rat mammary carcinoma model of tumor-induced bone resorption. Clin Cancer Res 9:5705-13; 2003.
 

2. Andersen, C., Bagi, C. M., and Adams, S. W. Intra-tibial injection of human prostate cancer cell line CWR22 elicits osteoblastic response in immunodeficient rats. J Musculoskelet Neuronal Interact 3:148-55; 2003.
 

3. Ekstrom, P. O., Giercksky, K. E., Andersen, A., Bruland, O. S., and Slordal, L. Intratumoral differences in methotrexate levels within human osteosarcoma xenografts studied by microdialysis. Life Sci 61:PL275-80; 1997.
 

4. Geldof, A. A., and Rao, B. R. Prostatic tumor (R3327) skeletal metastasis. Prostate 16:279-90; 1990.
 

5. Gould, M. N. Rodent models for the study of etiology, prevention and treatment of breast cancer. Semin Cancer Biol 6:147-52; 1995.
 

6. Henriksen, G., Breistol, K., Bruland, O. S., Fodstad, O., and Larsen, R. H. Significant antitumor effect from bone-seeking, alpha-particle-emitting (223)Ra demonstrated in an experimental skeletal metastases model. Cancer Res 62:3120-5; 2002.
 

7. Kurth, A. A., and Muller, R. The effect of an osteolytic tumor on the three-dimensional trabecular bone morphology in an animal model. Skeletal. Radiol. 30:94-8; 2001.
 

8. Liepe, K., Geidel, H., Haase, M., Hakenberg, O. W., Runge, R., and Kotzerke, J. New model for the induction of osteoblastic bone metastases in rat. Anticancer Res 25:1067-73; 2005.
 

9. Medhurst, S. J., Walker, K., Bowes, M., Kidd, B. L., Glatt, M., Muller, M., Hattenberger, M., Vaxelaire, J., O'Reilly, T., Wotherspoon, G., Winter, J., Green, J., and Urban, L. A rat model of bone cancer pain. Pain 96:129-40; 2002.
 

10. Neudert, M., Fischer, C., Krempien, B., Bauss, F., and Seibel, M. J. Site-specific human breast cancer (MDA-MB-231) metastases in nude rats: model characterisation and in vivo effects of ibandronate on tumour growth. Int J Cancer 107:468-77; 2003.
 

11. Pollard, M. Thalidomide promotes metastasis of prostate adenocarcinoma cells (PA-III) in L-W rats. Cancer Lett 101:21-4; 1996.
 

12. Pollard, M., Luckert, P. H., and Snyder, D. L. The promotional effect of testosterone on induction of prostate-cancer in MNU-sensitized L-W rats. Cancer Lett 45:209-12; 1989.
 

13. Rizzoli, R., and Fleisch, H. The Walker 256/B carcinosarcoma in thyroparathyroidectomized rats: a model to evaluate inhibitors of bone resorption. Calcif Tissue Int 41:202-7; 1987.
 

14. Rosol, T. J., Tannehill-Gregg, S. H., LeRoy, B. E., Mandl, S., and Contag, C. H. Animal models of bone metastasis. Cancer 97:748-57; 2003.
 

15. Wada, N., Ishii, S., Ikeda, T., and Kitajima, M. Inhibition of bone metastasis from breast cancer with pamidronate resulting in reduction of urinary pyridinoline and deoxypyridinoline in a rat model. Breast Cancer 11:282-7; 2004.
 

16. Wan, J. M., Istfan, N. W., Ye, S. L., and Bistrian, B. R. Insulin-like growth factor-1 is not mitogenic for the Walker-256 carcinosarcoma. Life Sci 56:747-56; 1995.

17. Blouin S., Baslé M.F., Chappard D. Rat models of bone metastases. Clin. Exp. Metastasis. 22, 605-614, 2005.

18. Blouin S., Moreau M.F., Baslé M.F., Chappard D. Relations between microCT measurements and texture analysis in two rat models of bone metastases. Cell Tissues Organs. 182, 182-192, 2006

19. Blouin S., Baslé M.F., Chappard D. Interactions between microenvironment and cancer cells in two animal models of bone metastasis. Brit. J. Cancer. 98, 809-815, 2008.