Rôle du métabolisme du glucose dans le phénotype tumoral hépatocytaire

Abstract

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est une forme de cancer hétérogène tant d’un point de vue morphologique que d’un point de vue fonctionnel. Depuis maintenant plusieurs décennies, l’implication du métabolisme du glucose au sein des cellules tumorales a été abondamment étudiée et plusieurs constats importants à ce sujet ont été notés comme la présence d’une consommation exacerbée en glucose, d’une production accrue en lactate, ou encore d’un « switch » métabolique plus connu sous le nom d'effet Warburg. La notion d'adaptabilité des cellules cancéreuses face à la stringence du microenvironnement devient équivoque dès lors que leur aptitude à pouvoir modifier aisément leur métabolisme s'opère sous l'effet de ces variations. D'autre part, l'intense activité métabolique retrouvée dans le foie rend difficilement détectable la présence de foyers tumoraux primitifs par tomographie par émission de positron (TEP). Cette technique d'imagerie médicale, reposant principalement sur la capacité substantielle des cellules néoplasiques à consommer d'importantes quantités de glucose, ne permet pas ou très laborieusement la discrimination d'une cellule d'hépatocarcinome d’une cellule saine. Les recherches touchant de près au métabolisme de ces cellules comportent alors un grand intérêt non seulement pour étudier leur dépendance au glucose mais également apprécier leur adaptabilité face à un microenvironnement hostile. L'objectif principal de ce projet a donc été de caractériser fonctionnellement les cellules provenant de CHC en comparant leur métabolisme à celui de cellules non tumorales. Dans cette optique, nous avons premièrement étudié les hépatocytes en culture primaire de façon à pouvoir les utiliser en tant que cellules contrôles. Cependant, nous avons constaté que des altérations métaboliques majeures s'opéraient au sein de ces cellules non seulement au fil des différentes étapes de l'isolation mais également après 48 heures in vitro lorsque comparé aux hépatocytes du foie in situ. En effet, une diminution significative des métabolites impliqués dans la réponse face au stress oxydant, à l'activité du cycle de Krebs (TCA) et à la production d'énergie a alors été notée, accompagnée également d'une capacité respiratoire fortement réduite. Parallèlement, l'étude d'une lignée cellulaire isolée au laboratoire, la Dt81Hepa1-6, a clairement montré une plus grande tumorigénicité in vivo par rapport à la lignée mère Hepa1-6 dont elles sont issues. Nous avons ainsi pu, par comparaison avec les Hepa1-6, démontrer que le potentiel tumorigénique des Dt81Hepa1-6 reposait en partie sur leur forte dépendance au glucose environnant mais également sur leur capacité à pouvoir utiliser leur réserve en acides gras en l'absence de glucose. En ciblant cette reprogrammation métabolique par ajout d'oxamate de sodium, un inhibiteur du lactate déshydrogénase (LDH), nous avons non seulement pu mettre en évidence une diminution significative de leur tumorigénicité mais aussi observer une mortalité accrue lorsque couplé au cisplatinium (CP). De plus, nous avons mis en évidence une association entre la surexpression de gènes glycolytiques et le pronostic clinique de patients atteints de CHC : ceci nous a amené à envisager la possibilité de pouvoir combiner des agents ciblant le métabolisme de ces cellules à des agents de chimiothérapie conventionnels dans le traitement du CHC. L'analyse métabolomique nous a également permis de constater qu'outre cette aptitude à pouvoir efficacement s'adapter à leur microenvironnement, les cellules issues d'hépatocarcinome mettaient en place une réelle stratégie métabolique en sollicitant préférentiellement certaines voies métaboliques par rapport à d'autres. Nous avons ainsi pu établir une signature métabolique visant à démontrer que, de l'in vitro vers l'in vivo en passant par l'humain, les voies de la glycolyse et de la réponse liée à l'hypoxie étaient essentielles au maintien de la tumorigénicité des cellules d'hépatocarcinome.

Hepatocellular carcinoma (HCC) is a morphologically and functionally heterogeneous cancer. For several decades, the involvement of glucose metabolism in tumor cells has been widely studied and several key features have been observed including increased glucose consumption, increased lactate production, or a "metabolic switch" more commonly known as the Warburg effect. The adaptability of cancer cells in a nutrient-restricted microenvironment becomes evident since they can easily modify their metabolic phenotype under different conditions. On the other hand, the intense metabolic activity displayed by the liver complicates the detection of primary tumor foci by clinical imaging especially by positron emission tomography (PET). This medical imaging technique, based on the substantial ability of neoplastic cells to consume large amounts of glucose, does not efficiently allow to differentiate between healthy and HCC tumor cells. Therefore, studies closely related to the metabolism of HCC cells are of great interest not only to understand their glucose dependence but also their capacity to adapt to a harsh microenvironment. The main objective of this project was to functionally characterize HCC cells by comparing their metabolism to that of non-tumor cells. In this context, we first studied primary cultures of normal hepatocytes as control cells: we demonstrated that major metabolic alterations occurred immediately after hepatocytes are removed from the liver and that these changes could persist or increase during culture. Indeed, a drastic decrease in metabolites related to antioxidative stress, Krebs cycle activity (TCA) and energy production was noted, accompanied by a significant reduced respiratory capacity when compared to liver cells in situ. The study of HCC Dt81Hepa1-6 cells, a derivative of Hepa1-6 cells, demonstrated enhanced tumorigenicity in vivo when compared to their parental cell line. Furthermore, we showed that the tumorigenic potential of these Dt81Hepa1-6 cells was partly based on their capacity to uptake surrounding glucose but also on their ability to use their stored fatty acids under glucose-restricted conditions. Targeting HCC Dt81Hepa1-6 cell metabolic reprogramming by sodium oxamate, a known inhibitor of lactate dehydrogenase (LDH), not only confirmed their greater metabolic plasticity with decreased tumorigenicity but also increased mortality when combined with cisplatinium (CP). Moreover, the association of glycolytic gene overexpression with increased tumorigenicity and mortality in patients with HCC led us to consider the possibility of targeting the metabolic processes used by highly tumorigenic HCC cells to potentiate the effectiveness of current chemotherapeutic drugs. Metabolomic analysis also allowed us to note that besides the intrinsic ability of Dt81Hepa1-6 cells to efficiently adapt to their microenvironment, HCC cells rapidly display a metabolic strategy by preferentially activating some specific metabolic pathways that favors their tumorigenicity both in vitro and in vivo. Therefore, we have been able to identify a metabolic signature associated with increased tumorigenicity in HCC that heralds glycolytic and hypoxia pathways as being critical.