TIRO

Au laboratoire TIRO, nous étudions essentiellement deux protéines membranaires : le symporteur sodium iode (NIS ou SLC5A5) et la protéine SLC5A8, dans le contexte du métabolisme de l'iode, de la fonction thyroïdienne, de la radiotoxicologie, de l'oncologie et de l'imagerie in vivo, incluant le développement du traitement de l'image. Ces deux protéines sont impliquées comme des suppresseurs de tumeur et le NIS est une protéine clef dans le traitement par radiothérapie métabolique des cancers thyroïdiens. Le NIS est une protéine qui catalyse une accumulation active d'iode en couplant son passage à 2 ions sodiums. NIS est notamment exprimé dans la membrane baso-latérale des cellules thyroïdiennes. NIS est également exprimé dans l'estomac et le glandes salivaires. Son expression est très finement régulée dans les thyrocytes normaux et elle est réprimée lors de la transformation tumorale des cellules. L'induction du NIS dans les cellules thyroïdiennes tumorales est un enjeu majeur dans le traitement des cancers thyroïdiens et des métastases dérivées (voir par exemple Ho et al, N Engl J Med, 2013, 368, p623) La protéine SLC5A8 a été identifiée par l'équipe et elle est impliquée au niveau de la thyroïde dans le contrôle du métabolisme de l'iode. Il a été montré que l'expression de SLC5A8 entraine in vitro un fort effet antiprolifératif et que son expression dans le colon est perdue dans une majorité de tumeurs. Il a été alors proposé que cette protéine soit un suppresseur de tumeur. Peu de temps après, des études d'expression de SLC5A8 dans des ovocytes de xénope ont montré l'apparition de courants associés à l'expression de la protéine en présence de monocarboxylates. Sur la base de ces résultats, il a été proposé que SLC5A8 soit un symporteur sodium/monocarboxylate et catalyserait l'absorption de butyrate au niveau du côlon et de lactate au niveau du rein. Un lien entre le transport de monocarboxylate et son rôle suppresseur de tumeur a été proposé : l'accumulation des monocarboxylates comme le butyrate au niveau du côlon (ou du pyruvate pour l'effet anti-prolifératif des cellules en culture) provoque une inhibition des « Histones Désacétylase » ou HDAC qui entraîne un effet antiprolifératif et cette inhibition est levée avec la perte d'expression de SLC5A8 par méthylation de l'ADN de son gène codant. Il existait toutefois beaucoup d'incohérences dans les résultats publiés. Nos résultats indiquent que SLC5A8 est une protéine clé dans le contrôle du métabolisme de l'iode et son rôle comme tumeur suppresseur serait lié à une fonction de contrôle du stress oxydatif lié au transport de monocarboxylate. Notre stratégie globale a consisté à réunir les compétences de chercheurs dans différents domaines, afin de faciliter des études transversales depuis un niveau moléculaire jusqu'aux applications cliniques. Pour cela, notre équipe comprend des biochimistes, des biologistes moléculaires et cellulaires, des médecins nucléaires et des informaticiens. Une partie importante de nos travaux est également réalisée en collaboration avec d'autres scientifiques (biologistes, chimistes, mathématiciens…) ou des cliniciens (pathologistes, radiothérapeutes, chirurgiens, neurologues…). Les objectifs de nos travaux s'orientent selon quatre axes imbriqués.

A) La toxicologie nucléaire

L'iode est un élément majeur en toxicologie nucléaire. Un rapide bilan des conséquences sanitaires de l'accident par exemple de Tchernobyl montre trois catégories d'exposition : 1) de fortes expositions pour les 600 travailleurs et pompiers « des premiers jours » qui sont pour certains décédés suite à de fortes brûlures (49 cas) ou présentent des syndromes spécifiques (134 cas) ; 2) des expositions courtes avec peu d'effets significatifs à ce jour pour les 600 000 liquidateurs ; 3) des expositions plus faibles liées au nuage radioactif pour les populations environnantes. Les études épidémiologiques sur ces populations exposées ont révélé un effet significatif uniquement au niveau de l'apparition de cancers de la thyroïde chez les enfants contaminés. Comme contre-mesure face à un nuage radioactif, la prise d'iode stable est une mesure efficace si elle est administrée avant l'exposition. Cette pastille d'iode provoque non seulement une dilution isotopique mais aussi une inhibition de la capacité d'accumulation d'iode dans la thyroïde. Par contre, si la prise d'iode est réalisée après contamination, elle provoquera aussi une rétention thyroïdienne transitoire de la radioactivité incorporée dans les précurseurs hormonaux. Cette régulation physiologique de la fonction thyroïdienne par un excès d'iode est connue depuis les années 1930-40 (effet Wolff-Chaikoff). A l'heure actuelle, aucune stratégie permettant d'inhiber l'entrée d'iode radioactif sans provoquer la rétention de ces précurseurs hormonaux n'est disponible. On peut avancer au moins deux raisons: 1) les mécanismes sous-jacents à l'effet Wolff-Chaikoff sont peu connus ou spéculatifs ; 2) l'unité fonctionnelle de la thyroïde (le follicule) est une structure pluricellulaire organisée difficile à reproduire in vitro. Il faut aussi rappeler que les isotopes de l'iode possèdent des temps de vie relativement courts et la contre mesure lors d'un relargage ponctuel consiste à se focaliser sur une protection immédiate. Plus récemment, l'accident de Fukushima a soulevé une autre problématique. En effet, cet accident a généré un relargage d'iode radioactif sur plusieurs semaines et l'administration optimale de KI face à une exposition chronique à de l'iode radioactif reste à être mieux définie. Notre équipe est Lauréate d'un investissement d'avenir RSNR (Recherche en matière de Sécurité Nucléaire et de Radioprotection) avec le projet PRIODAC (Prophylaxie Répétée par l'IODe stable et contre-mesures innovantes en situation ACcidentelle). Ce projet réunit des équipes de l'IRSN, du CEA, de l'UNS, de l'Université de Marseille et la Pharmacie Centrale des Armées (PCA). L'équipe TIRO participe activement à ce projet autour de ses 2 axes principaux : 1) en établissant les bio-cinétiques de l'iode à l'état traceur, d'un excès d'iode stable et d'effets compétiteurs en fonction de différentes modalités d'administration. Ce travail est réalisé par imagerie SPECT sur des rongeurs vivants anesthésiés ; 2) en étudiant les mécanismes moléculaires de la régulation de la fonction thyroïdienne par l'iode. Le programme RSNR nous permet de disposer d'un financement sur 5 ans (incluant notamment des salaires pour deux doctorants, deux post-doctorants et l'achat d'un spectromètre de masse) pour développer ces études. Nos projets en toxicologie nucléaire de l'iode ont été précédemment soutenus par des financements d'EDF et des programmes de toxicologie nucléaire du CEA. Pour étudier le métabolisme de l'iode et sa régulation, il est nécessaire d'intégrer les structures et l'environnement complexes le contrôlant. Dans ce but, notre laboratoire a mis en place des outils d'imagerie in vivo permettant d'étudier sur des rongeurs vivants le métabolisme de l'iode. Ces outils nous permettent d'élaborer des contre-mesures post-contamination plus efficaces permettant de diminuer la dose délivrée à la thyroïde par administration de KI dans différents contexte. Pour arriver à une telle finalité, il est aussi essentiel de mieux connaître les mécanismes sous-jacents à ces régulations. L'effet inhibiteur sur le transport d'iode implique des régulations transcriptionnelles et surtout post-traductionnelles du transporteur NIS qui constitue une partie importante de nos travaux. Par ailleurs, nous étudions une protéine (SLC5A8) qui s'avère essentielle dans le déclenchement de la phase aigüe de l'effet Wolff-Chaikoff. Ces projets ont été soutenus par EDF et les programmes de toxicologie nucléaire du CEA. Nous avons pu mettre ainsi en évidence le rôle d'une protéine senseur dans l'induction de la régulation de la thyroïde par l'iode. Cet axe se développe actuellement dans le cadre du projet PRIODAC. Nous cherchons notamment en utilisant des approches de protéomique, à identifier des protéines senseurs du thyrocyte qui interviennent dans la régulation par l'iode. Nous étudions aussi la régulation post-transcriptionnelle de la protéine NIS qui intervient dans l'effet Wolff-Chaikoff ainsi que la spéciation de l'iode en collaboration avec une équipe de chimistes de la DEN du CEA de Saclay et de l'Université de Nice. Cette collaboration est soutenue par le programme transverse de Toxicologie du CEA. Nous recherchons des stratégies limitant l'apparition de tumeurs thyroïdiennes notamment radioinduites. Nous étudierons notamment comment un excès d'iode pourrait provoquer une inhibition de la formation des cancers. Ce projet a été lui aussi soutenu par un financement d'EDF. Enfin, nous recherchons à améliorer le traitement des cancers thyroïdiens. Les tumeurs thyroïdiennes induites par la contamination suite à l'accident de Tchernobyl étaient essentiellement des cancers papillaires particulièrement agressifs. Le traitement de ces cancers et des métastases qui en dérivent est basé sur la captation d'iode radioactif (radiothérapie métabolique). Cette capacité est conservée dans la majorité des cas bien que réduite par rapport à du tissu normal. Nos travaux dans cet axe consistent à trouver des stratégies permettant de potentialiser les captations endogènes (notamment par un meilleur contrôle de l'expression des protéines responsables de ces accumulations). Pour les tumeurs qui ont complètement perdu la capacité d'accumulation d'iode (cancers anaplasiques), peu de solutions thérapeutiques existent, nous travaillons également sur le développement d'approches de radiothérapie génique basées sur le transfert du NIS. Cette partie possède un fort recouvrement avec des problématiques cliniques plus généralement liées au traitement des cancers thyroïdiens en dehors de ceux radio-induits. La compréhension des mécanismes moléculaires qui contrôlent les captations d'iode dans la thyroïde, les tumeurs thyroïdiennes et le métastases dérivées, est particulièrement intéressante pour optimiser la radiothérapie métabolique.

B) La technologie dans le domaine de la santé

L'imagerie SPECT (« Single Photon Emission Computed Tomography » ou caméra en tomographie à émetteurs gamma) est un outil important dans nos études. Elle permet de suivre in vivo des cellules accumulant de l'iode. Les applications sont multiples pour nos études : analyses des captations endogènes et de leur régulation au niveau de la thyroïde ou d'autres organes ; mise au point de stratégies augmentant la sécrétion d'iode radioactif incorporé dans des précurseurs hormonaux ; mise au point de modèles précliniques en utilisant le NIS comme rapporteur ; mesure in vivo de l'efficacité de vectorisation du gène NIS. La capacité d'accumulation d'iodure est mesurée avec du 99mTc-pertechnétate, substrat du NIS mais non métabolisé. L'iode 123 est utilisé pour la quantification de l'accumulation et de l'organification de l'iodure. L'imagerie SPECT est donc particulièrement bien adaptée à nos besoins mais elle est toutefois assez complexe à mettre en oeuvre. TIRO a été créé en fort partenariat avec le service de médecine nucléaire du Centre de lutte contre le cancer Antoine Lacassagne de Nice. Cet apport a été essentiel pour la mise en place de nos équipements et assurer leur fonctionnement. Par exemple, dans une phase initiale, nous avons utilisé une caméra clinique que nous avons adaptée à des acquisitions sur des rongeurs en corrigeant notamment par traitement informatique les imperfections mécaniques de ce système. Nous utilisons le 99mTc-pertechnétate produit par des générateurs au Centre Antoine Lacassagne. J. Darcourt (TIRO et Chef du service de médecine nucléaire) possède une expertise dans le traitement de l'imagerie SPECT qui est très utile pour nos projets. En collaboration avec l'équipe ASCLEPIOS de l'INRIA de Sophia Antipolis, nous avons développé des programmes de synchronisation respiratoire ou de recalage longitudinal dédiés à nos acquisitions. La collaboration avec cette équipe nous a permis d'acquérir une caméra micro-SPECT très innovante en partenariat avec GE Healtcare. Nous avons également débuté une collaboration avec des mathématiciens afin de modéliser la croissance des tumeurs sur nos modèles précliniques (xénogreffes de plusieurs types tumoraux). Nous étudions dans ce contexte, l'hétérogénéité de la réponse tumorale à la radiothérapie. Pour ce travail et en utilisant l'imagerie SPECT associée à l'utilisation d'un gène rapporteur, nous sommes ainsi capables de suivre la zone tumorale contenant des cellules proliférantes. Ce travail est réalisé en combinant notre modalité avec de l'imagerie par échographie haute-fréquence en collaboration avec une physicienne du LMA de Marseille. Cette autre approche permet de visualiser in vivo la zone nécrotique de la tumeur. Nous pouvons ainsi effectuer un suivi longitudinal des différentes zones de la tumeur (contenant les cellules proliférantes, quiescentes et nécrosées). Ces analyses par imagerie in vivo sont combinées également à des approches d'histologie et d'immuno-histologie (en collaboration avec le service de pathologie du CHU). Nous participons aussi aux expériences du projet des physiciens du LMA sur l'utilisation des signaux d'ultrasons à haute fréquences pour dériver des informations biologiques sur l'état des cellules et sommes aussi impliqués dans l'imagerie cellulaire à haut débit. Nous développons des logiciels d'analyse automatisée en imagerie cellulaire. Un informaticien de l'équipe a réalisé le logiciel Cellquant utilisant la base d'imageJ. Cellquant a pour vocation d'être très intuitif et simple d'utilisation pour réaliser des analyses courantes avec des grandes quantités d'images. De plus, en collaboration avec une équipe (i3S CNRS/UNS de Sophia Antipolis) nous avons élaboré et testé des logiciels de classification supervisée (« machine-learning ») pour l'imagerie cellulaire. Ce dernier programme nommé CellID a été breveté. Ces outils sont utilisés pour des analyses statistiques de distribution subcellulaire de protéines NIS mutées au niveau de site de régulation (phosphorylations ou autres) de la protéine. Ils sont également mis à profit dans l'étude des effets antiprolifératifs liés à l'expression du NIS et de SLC5A8. En continuité avec ces projets et en partenariat avec la société PHASICS, nous étudions les possibilités d'utilisation de l'imagerie à contraste de phase quantitatif pour l'imagerie à haut débit. Ce projet inclut des développements technologiques mais également méthodologiques en traitement de l'image (collaboration avec des équipes i3S et INRIA). Il est Lauréat d'un financement ARN TecSan pour 3 ans. En collaboration avec des pathologistes du CHU et du CAL et l'équipe MORPHEME (i3S/INRIA/iBV), nous étudions également les perspectives d'utilisation de ces méthodes pour la classification des tumeurs par une quantification automatique de leur architecture. Nous gérons depuis fin 2011 la plateforme de protéomique-métabalomique Bernard Rossi du site de Pasteur de la Faculté de médecine de Nice. Nous avons implanté dans cette plateforme de nouvelles sources pour de l'imagerie par spectrométrie de masse (DESI et AP-MALDI). Une des finalités de ces projets sera de fusionner des informations multimodales (imagerie MS, in vivo SPECT, immunohistologie...) en collaboration avec une équipe de l'INRIA de Sophia Antipolis.

C) La biologie et la physiologie

Nos études incluent de la recherche fondamentale sur des mécanismes de base en biologie ou en physiologie. La plupart de nos projets en toxicologie nucléaire ou santé s'ancrent sur une recherche fondamentale développée au laboratoire. Par exemple, nous travaillons sur la régulation post-traductionnelle de la protéine NIS. Nos résultats montrent que de multiples partenaires et sites de modification post-traductionnels modulent sa localisation à la membrane plasmique. Ces mécanismes sont essentiels à la régulation de la fonction thyroïdienne. Ils sont également importants à comprendre dans le contexte du cancer thyroïdien. Nous étudions également le rôle du NIS dans les tissus extra-thyroïdiens. Nos résultats permettent en outre de complètement réviser le rôle physiologique des accumulations d'iode au niveau du tractus digestif. Par ailleurs, les résultats originaux sur l'étude des propriétés de la protéine SLC5A8 permettent d'impliquer cette protéine dans la phase initiale de la régulation de la thyroïde par l'iode. Ils permettent également de comprendre son rôle dans le contrôle du stress oxydatif.

D) La santé et le risque environnemental

Nos travaux offrent également des perspectives cliniques en oncologie avec, par exemple, nos études sur l'hétérogénéité des tumeurs. Dans ce contexte, nous nous intéressons particulièrement à la radiorésistance des cellules tumorales liée à leur état (proliférant versus quiescent). Ce travail est réalisé pour la partie in vitro en collaboration avec une équipe de l'Université del Rosario en Colombie. Dans la continuité de ce travail, nous élaborerons des stratégies de radio-sensibilisation. En collaboration avec des radiophysiciens et radiothérapeutes du site de la Lanterne du CAL, nous étudions des stratégies de radiosensibilisation par des nanoparticules innovantes dans le contexte de la protonthérapie à moyenne et haute énergie. Il est à noter que ce site est équipé d'un cyclotron à usage médical de moyenne énergie (max 65 MeV) et qu'un autre cyclotron à haute énergie (max 240 MeV) sera bientôt en service. Les nanoparticules seront élaborées en collaboration avec des chimistes de l'ICN et du CEA à Saclay. Des nanoparticules « radiosensibilisantes » seront aussi analysées pour leur apport potentiel dans les approches de radiothérapie génique basées sur l'induction de l'expression du NIS. En effet la dose requise pour une application clinique de cette approche anti-tumorale reste trop élevée et une radiosensibilisation associée pourrait être la solution. Par ailleurs, nos résultats sur SLC5A8 en plus de la compréhension de son rôle de suppresseur de tumeur (pour la thyroïde mais aussi le colon) offrent des perspectives prometteuses dans l'étude des maladies neuro-dégénératives. Dans ce contexte, nos développements en métabolomique sont mis à profit. La thyroïde est un organe particulièrement intéressant dans l'étude de l'impact de l'environnement sur le cancer en apparaissant comme un organe sentinelle particulièrement sensible. La protéine NIS, en catalysant leur accumulation dans les cellules, possède aussi un rôle clé dans les mécanismes de toxicologie liés à certains polluants majeurs de l'eau comme le nitrate, le perchlorate et le thiocyanate. Des travaux mettant à profit nos outils et nos modèles cellulaires et in vivo ont été initiés. Nos résultats devraient conduire à mieux définir la toxicologie de ces polluants afin d'établir une réglementation plus précise et de mettre au point des contres mesures. Nous cherchons dans une première étape à identifier des signatures moléculaires (modifications des protéines par spectrométrie de masse haute résolution) qui puissent nous permettre de détecter des expositions à ces polluants. Nous recherchons aussi de telles signatures consécutives à des expositions à des rayonnements ionisants et des effets combinés ou synergiques des différents types d'exposition. Ce travail est soutenu par un financement d'EDF.