Les métastases sont responsables de la grande majorité des décès liés au cancer. Leur formation fait suite à un processus complexe comportant plusieurs étapes [ 1 , 2 ]. À partir du développement d’une tumeur primaire, certaines cellules cancéreuses, devenues invasives, s’échapperont et se propageront à travers l’organisme en utilisant différents systèmes circulatoires – notamment sanguins et lymphatiques – pour finalement atteindre des organes éloignés du site primitif. Cette colonisation à distance, dans des organes possédant à la fois un réseau vasculaire et un microenvironnement adapté, conduit à la formation de tumeurs secondaires : les métastases. Celles-ci se développent préférentiellement au niveau de niches pré-métastatiques, des sites dont la formation dépend de facteurs solubles ou vésiculaires sécrétés par la tumeur primaire, qui suivent des voies identiques à celles empruntées par les cellules métastatiques. De nombreuses données suggèrent que l’apparition de lésions métastatiques n’est pas un processus aléatoire, mais qu’elle est gouvernée par des caractéristiques intrinsèques aux cellules tumorales (dont leur site d’origine) ainsi que par des facteurs environnementaux spécifiques de chaque organe [ 51 ] ( → ). Cet organotropisme ^1, , initialement expliqué par l’hypothèse du seed and soil ² par S. Paget il y a plus d’un siècle [ 3 ], est une loi fondamentale de la progression métastatique. Il est très étudié médicalement, sur la base d’analyses et de corrélations cliniques, complétées par de nombreuses études biologiques et chimiques fondamentales afin d’en comprendre les mécanismes. Jusqu’ici, ces travaux ont majoritairement identifié les composantes génétiques, immunitaires et biochimiques de ce processus, ne prenant que très rarement en compte la contribution de facteurs biomécaniques, et notamment hémodynamiques. Depuis, l’émergence d’un nouveau champ d’étude, la mécanobiologie , et le développement concomitant important d’une communauté scientifique, ont démontré la pertinence de prendre en compte ces facteurs biomécaniques dont le champ d’action, sur les plans développemental, physiologique et pathologique, est large.

(→) Voir la Nouvelle de C. Marceaux et M.L. Asselin-Labat, m/s n° 2, février 2020, page 109

À titre d’exemple, il est maintenant clairement établi que l’augmentation de la pression interstitielle ³ dans les tumeurs solides primaires, stimule l’invasion des cellules tumorales [ 4 ] et freine l’accès de molécules chimiothérapeutiques au cœur des tumeurs, diminuant ainsi leur efficacité [ 5 ] ( Figure 1 ) . La rigidification du microenvironnement d’une tumeur solide, notamment pour les tumeurs mammaires et pancréatiques, est, par ailleurs, un facteur déterminant de leur progression et de leur agressivité [ 6 ]. Ces modifications mécaniques du tissu tumoral, détectables par des techniques d‘élastographie ⁴ [ 7 ], sont d’ailleurs des témoins fidèles de l’état d’avancement de la tumeur. Ces exemples illustrent bien l’impact de facteurs mécaniques sur la progression tumorale et métastatique. Soulignons qu’une grande partie de la cascade d’événements menant à la formation des métastases a lieu dans le système circulatoire et lymphatique, où les conditions physico-chimiques, mécaniques et hémodynamiques sont à même d’impacter le devenir des cellules tumorales, mais également les facteurs pro-métastatiques sécrétés par la tumeur, et leur propension à former des foyers métastatiques ( Figure 1 ) . Il y a quelques années, nous avons, avec d’autres chercheurs [ 8 , 9 ], fait le constat que nos connaissances actuelles sur ces phénomènes restaient parcellaires. Nous avons alors décidé d’élaborer des stratégies expérimentales permettant d’interroger directement la contribution de facteurs mécaniques et hémodynamiques à la cascade métastatique. L’architecture du système circulatoire permet ainsi, systématiquement et majoritairement, aux facteurs pro-métastatiques (qu’ils soient solubles ou vésiculaires) et aux cellules tumorales circulantes (CTC) d’une tumeur de rejoindre les premiers lits capillaires (et organes correspondants) irrigués consécutivement à l’organe dont est issue la tumeur. Par ce processus strictement dépendant de la direction de notre système circulatoire et du site tumoral d’origine, les organes qui sont irrigués en priorité seront les organes fortement métastatiques (par exemple les poumons dans les cancers du sein, ou le foie pour les cancers colorectaux) [ 10 ]. Comme le relevaient certains chercheurs [ 8 ], les capillaires sanguins, qui sont les voies de transport majoritaires de cellules au destin métastatique, possèdent un environnement hémodynamique et topologique (ramifications, diamètre interne réduit, etc.) qui influence naturellement, par les contraintes mécaniques qu’il impose, les sites préférentiels d’arrêt des cellules tumorales. Alors que ces interrogations avaient été soulevées très tôt au sein de la communauté, un nombre limité d’études, notamment in vivo , permettait de tester expérimentalement l’impact de ces facteurs biomécaniques sur la progression métastatique. Aujourd’hui, les études portant sur l’influence directe ( via les contraintes mécaniques) ou indirecte ( via le transport) de la mécanique des fluides sur la progression tumorale se multiplient. Dans cette revue, nous discutons les caractéristiques biomécaniques (et leurs conséquences) des fluides corporels liés au microenvironnement tumoral. Nous détaillons également les découvertes récentes démontrant l’influence des liquides circulants ⁵ sur la cascade métastatique. Cette discussion portera sur l’impact des fluides biologiques sur la dissémination des signaux tumoraux qui préparent la niche pré-métastatique, et sur celle des cellules tumorales métastatiques.

Figure 1. Schéma récapitulatif décrivant le rôle central des liquides corporels dans la dissémination des cellules tumorales.

Figure 1. Schéma récapitulatif décrivant le rôle central des liquides corporels dans la dissémination des cellules tumorales.

Il est essentiel de prendre en compte les caractéristiques mécaniques et biochimiques des 3 principaux fluides corporels irrigant le microenvironnement tumoral – le sang, la lymphe et le fluide interstitiel ⁶ – pour mesurer leur impact sur la dispersion des cellules tumorales. Au regard de la composition de ces fluides et de l’architecture des systèmes circulatoires, il est possible d’estimer les forces mécaniques qu’ils exercent sur les cellules tumorales et sur les facteurs qu’elles sécrètent (molécules solubles et vésicules extracellulaires). Ainsi, les mouvements du fluide interstitiel sont déterminés par les gradients de pression exercés sur ce fluide. Physiologiquement, le fluide interstitiel est ainsi dirigé des vaisseaux sanguins vers les vaisseaux lymphatiques [ 11 ]. La présence d’une tumeur en croissance, composée de cellules et de matrice extracellulaire très dense et en constante rigidification, modifie ces gradients de pression et perturbe l’écoulement du fluide interstitiel ( Figure 1 ) . En général, le fluide interstitiel s’écoule de façon laminaire ^7, et se caractérise par une densité élevée et une vélocité faible, ce qui induit des forces de cisaillement ⁸ de faible amplitude ( Tableau I ) . L’écoulement lymphatique, lui, est laminaire et caractérisé par une pulsatilité faible, une vitesse d’écoulement faible à moyenne, et des contraintes de cisaillement qui varient en fonction de la taille des vaisseaux. La lymphe est un liquide peu dense en particules et cellules ( Tableau I ) , contrairement au milieu sanguin qui posséde une haute densité de cellules circulantes et donc une forte probabilité que ces cellules entrent en collision. Enfin, les écoulements sanguins ont des caractéristiques différentes selon le type de vaisseau (artères, capillaires ou veines) ( Tableau I ) . Dans les artères, une forte pulsatilité et un flux très élevé entraînent des forces de cisaillement fortes et un écoulement parfois turbulent. Dans les capillaires, un flux pulsatile de faible vélocité dans des vaisseaux de faibles diamètres entraîne des contraintes de cisaillement moyennes ( Tableau I ) . Dans les veines, un flux légèrement pulsatile et de faible vélocité entraîne de faibles forces de cisaillement ( Figure 1 ) .

Si ces trois types de fluides corporels peuvent paraître différents de par leurs propriétés hémodynamiques, tous contribuent à l’invasion des cellules tumorales au niveau de la tumeur primaire. Les mouvements de fluides interstitiels, allant du centre vers la périphérie de la tumeur, entraînent avec eux les facteurs sécrétés par les cellules et les cellules tumorales, les plaçant ainsi en position favorable pour quitter la tumeur primaire. Les vaisseaux sanguins tortueux, créés par la néo-angiogenèse tumorale ( Figure 1 ) et présentant des fuites vasculaires, constituent alors une échappatoire facilement accessible, notamment parce que la pression y est plus élevée [ 12 ]. Moins directement, le système lymphatique, chargé de drainer les liquides interstitiels, permet également aux cellules tumorales et aux facteurs sécrétés d’accéder au système circulatoire sanguin après un détour par les ganglions lymphatiques [ 13 ] ( → ).

(→) Voir la Synthèse de D. Leclers et al. , m/s n° 10, octobre 2005, page 839

Ce mécanisme est facilité par la lymphangiogenèse ⁹ . Ces évènements précoces sont par ailleurs accompagnés d’une libération constante de facteurs pro-métastatiques, véritables éclaireurs de la formation de métastases, qui emprunteront les mêmes voies et seront soumis aux mêmes forces mécaniques.

La formation de métastases est sous la dépendance de niches pré-métastatiques dont la formation est régie par des signaux tumoraux qui sont libérés au cours des phases précoces de la croissance tumorale. La diffusion à l’échelle de l’organisme de ces facteurs sécrétés par les cellules tumorales est facilitée par l’apparition de nouveaux vaisseaux sanguins et lymphatiques à l’organisation anarchique accompagnant la croissance de la tumeur primaire. Ces facteurs peuvent alors modifier le phénotype de cellules réceptrices à distance de la tumeur primaire, et créer un microenvironnement favorable au développement de métastases dans des organes distants. Ainsi, la lymphe et le sang permettent la dissémination de molécules solubles telles que des chimiokines, des cytokines, des métalloprotéases, voire des acides nucléiques [ 14 ], ainsi que des vésicules extracellulaires tumorales. Ces vésicules extracellulaires (VE) sont hétérogènes en taille (de quelques nanomètres à plusieurs microns), en contenu (protéines, récepteurs membranaires, acides nucléiques et lipides) et éventuellement en fonction [ 15 ]. Les VE tumorales se retrouvent en grande quantité dans le sang des patients atteints de cancer, sans doute guidées par les gradients de pression interstitielle précédemment décrits. Une fois dans la circulation, ces VE sont passivement emportées par le flux sanguin ou lymphatique jusqu’à atteindre un site distant, qui peut être un ganglion lymphatique dans le contexte de la circulation lymphatique, ou un organe à distance dans celui du système sanguin. Elles déclencheront alors une cascade d’évènements aboutissant à une modification du microenvironnement et à l’établissement d’une niche propice au développement de futures métastases, la niche pré-métastatique [ 16 , 17 ].

Des études récentes, menées in vivo chez la souris et l’embryon de poisson zèbre, ont montré que le temps de demi-vie des VE dans la circulation ne dépasse pas 10 minutes [ 18 , 19 ] : elles sont rapidement internalisées par les monocytes présents dans la circulation et par les cellules endothéliales [ 18 , 20 ]. L’impact des forces hémodynamiques sur ces vésicules reste mal connu. L’étude, par microscopie ultra-rapide, de vésicules circulantes dans les vaisseaux sanguins de poisson zèbre indique qu’elles répondent à la loi de Poiseuille : les vésicules proches des parois de l’endothélium ont une vélocité quasi nulle tandis que celles au centre du vaisseau sont les plus rapides. On observe ainsi, dans les régions où le flux sanguin est le plus faible, une augmentation de l’arrêt des VE dans le vaisseau et de leur internalisation par les cellules endothéliales [ 18 ]. La fonction de ces vésicules, qui portent de nombreux messages de signalisation, serait donc en partie contrôlée par les paramètres hémodynamiques du système circulatoire qui les transporte, avec l’existence d’une fenêtre précise de vitesse de flux – sanguin ou lymphatique [ 18 , 21 ] – qui favoriserait les interactions moléculaires entre ces VE et les cellules avec lesquelles elles interagissent ( Figure 1 ) .

Des études suggèrent également que le répertoire de molécules de surface des VE tumorales est responsable de leur organotropisme (à l’instar des CTC). Chez la souris, il a été montré que des VE exprimant les intégrines α6β4 favorisent le développement de métastases dans le poumon, tandis que des VE exprimant les intégrines αVβ5 favorisent des métastases dans le foie [ 22 ]. Ainsi, le site d’arrêt des VE tumorales circulantes (et donc le site de formation d’une niche pré-métastatique) pourrait dépendre de facteurs physiques ( via les forces hémodynamiques) mais aussi biochimiques (le répertoire de molécules de surface des VE tumorales qui varie selon le type de cancer). Les forces hémodynamiques pourraient également influencer la distribution des facteurs tumoraux sécrétés de manière indirecte, par exemple en stimulant leur internalisation par les cellules endothéliales.

Lors des phases précoces de la croissance et de l’invasion tumorales, les forces hémodynamiques sont donc importantes pour la dissémination des facteurs sécrétés par la tumeur primaire, à la fois car elles transportent ces facteurs, mais également parce qu’elles déterminent des sites favorables à leurs interactions avec leurs cibles à distance de la tumeur primaire.

En parallèle des éléments permettant l’établissement de niches pré-métastatiques, les cellules tumorales répondent à de nombreux facteurs. Certains d’entre eux sont mécaniques, comme la pression interstitielle, et confèrent aux cellules tumorales un potentiel invasif les rendant capables de migrer activement dans le stroma, au sein et autour de la tumeur primaire. Elles profitent alors de l’angiogenèse et la lymphangiogenèse pour atteindre les systèmes circulatoires et y entrer par un processus d’intravasation [ 23 ]. Une fois en circulation, ces cellules tumorales deviennent circulantes (CTC) et sont emportées par les fluides corporels à distance de la tumeur primaire. Leur détection dans le sang représente alors un outil intéressant à la fois pour le diagnostic et pour la mise au point de traitements individualisés de la maladie [ 24 , 50 ] ( → ).

(→) Voir la Synthèse de A.R. Thierry et R. Tanos, m/s n° 10, octobre 2018, page 824

L’importance de ces fluides circulants, en particulier du flux sanguin, dans la dissémination des cellules tumorales fut initialement soulevée par J. Ewing [ 25 ], puis fortement appuyée par les travaux de L. Weiss portant sur des centaines d’autopsies de patients atteints de cancer [ 26 ]. Dans ses études, Weiss corrèle la fréquence d’apparition de métastases à (1) l’architecture vasculaire ou (2) la nature capillaire des vaisseaux dans les organes cibles fortement touchés [ 26 , 27 ]. Il démontre ainsi qu’indépendamment du seed and soil , l’architecture vasculaire, le flux sanguin et l’approvisionnement en cellules tumorales qu’ils permettent, sont des contributeurs majeurs au développement de métastases. En plus de l’importance des paramètres hémodynamiques, des paramètres physiques simples, tels que la taille des cellules et l’étroitesse des vaisseaux, ont aussi générés des discussions [ 8 ]. Sur un plan biomécanique et morphologique, des expériences de microscopie intravitale montrent que les cellules tumorales possèdent des diamètres supérieurs à celui des capillaires sanguins les plus fins et irriguant des organes vitaux, tels que les reins, les poumons et le cerveau. Ce paramètre peut, par conséquent, suffire à entraîner leur séquestration par occlusion, comme cela avait été suggéré il y a quelques années [ 28 ]. La contribution d’un tel mécanisme reste néanmoins à démontrer. Un autre paramètre mécanique influence la dissémination des CTC : les forces de cisaillements auxquelles elles sont soumises lorsqu’elles circulent et s’arrêtent. Ainsi, in vitro , les forces de cisaillement physiologiques, que l’on retrouve in vivo chez l’homme ( Tableau I ) , détruisent une grande partie des cellules tumorales circulantes [ 29 , 30 ] ( Figure 1 ) . À ce stade, il est intéressant de spéculer que ce processus aboutit probablement à une sélection de CTC aux propriétés mécaniques plus adaptées à leur survie [ 31 ], et qui pourraient être autant de nouvelles cibles thérapeutiques. Les CTC sont également capables d’interagir avec d’autres cellules (tumorales ou sanguines) afin d’augmenter leur résistance au stress mécanique ( Figure 1 ) . Par exemple, leur capacité d’agrégation augmente leur résistance au stress et leur potentiel métastatique [ 32 ]. De la même manière, d’autres types cellulaires, sanguins ou issus du microenvironnement tumoral, interagissent avec les CTC et les protègent des forces de cisaillement, favorisant ainsi la progression métastatique. C’est le cas des fibroblastes [ 33 ], des neutrophiles [ 34 ] et des plaquettes sanguines [ 35 ], ce qui démontre l’importance du contexte intravasculaire, et des forces qui en découlent, dans le potentiel métastatique d’une cellule tumorale ( Figure 1 ) .

Au-delà de l’impact sur leur survie, les forces de cisaillement influencent de nombreuses caractéristiques intrinsèques des CTC. Le cycle cellulaire peut en effet être inhibé dans le cas d’une exposition à des forces de cisaillement importantes (> 10 Dynes/cm ² ) [ 36 ], ou activé via le co-activateur de transcription TAZ ( transcriptional coactivator with PDZ-binding motif ) ¹⁰ , dans le cas d’expositions à des forces très faibles (< 0,1 Dynes/cm ² ) [ 37 ]. Des forces de cisaillement élevées, comme celles trouvées dans certains capillaires et les artères (> 5 Dynes/cm ² ), forcent également les CTC à adopter des profils plus mésenchymateux, via la transition épithelio-mésenchymateuse ¹¹ [ 38 ], et augmentent ainsi leur agressivité métastatique [ 39 , 40 ].

Les flux sanguins et lymphatiques, par leurs propriétés hémodynamiques intrinsèques, jouent un rôle déterminant dans la destination finale des CTC. Ainsi, les cellules qui ont survécu aux évènements de collision, aux forces de cisaillement et échappé au système immunitaire, exploiteront leur potentiel adhésif et les propriétés hémodynamiques des vaisseaux qui les transportent, pour coloniser des régions vasculaires précises. En effet, les CTC s’arrêtent préférentiellement dans des vaisseaux sanguins dont les caractéristiques hémodynamiques (vélocité du flux sanguin notamment) sont permissives [ 21 ]. Ces propriétés leur permettent de s’arrêter et d’adhérer, de manière stable, aux cellules endothéliales par le biais de leur répertoire de molécules d’adhérence [ 41 ] ( Figure 1 ) . L’adhérence entre CTC et la paroi endothéliale n’est possible que si les forces d’interaction entre cellules tumorales et cellules endothéliales, résultant de la liaison entre ligand porté par l’une et récepteur présenté par l’autre, sont supérieures aux forces exercées par le flux [ 41 ]. Cette étape d’arrêt intravasculaire est essentielle au processus métastatique et peut également être influencée par les propriétés mécaniques de la paroi vasculaire et les propriétés visco-élastiques des cellules tumorales. Cependant, alors qu’une réduction de la perfusion sanguine favorise l’émergence de foyers métastatiques dans des régions vasculaires définies, l’étape essentielle d’extravasation des cellules tumorales requiert l’activation de la paroi endothéliale par des forces hémodynamiques. En effet, nous avons démontré que les CTC n’utilisent pas uniquement le mécanisme de diapédèse (largement décrit pour l’extravasation des leucocytes [ 42 ]) pour quitter la circulation sanguine et former des foyers tumoraux secondaires. L’extravasation des cellules tumorales fait aussi intervenir les cellules endothéliales constituant la paroi vasculaire, qui sont extrêmement sensibles au flux sanguin ( Figure 1 ) . Sous l’influence de signaux extracellulaires et du flux sanguin, cet endothélium est capable de se réorganiser autour des cellules tumorales intravasculaires, en formant des protrusions aboutissant à la création de nouvelles lumières vasculaires, et in fine à l’exclusion des CTC du milieu intravasculaire. Ce processus de remodelage endothélial [ 43 ] est sous le contrôle, entre autres, de forces de cisaillement et conduit à une extravasation « passive » des cellules tumorales (c’est-à-dire sans déformation cellulaire, contrairement à la diapédèse des leucocytes) [ 21 ]. Il est intéressant de noter qu’un tel processus est aussi observé dans le cas de caillots obstruant des micro-vaisseaux du cerveau qui sont expulsés par remodelage endothélial, ce qui conduit au rétablissement de la circulation sanguine normale [ 44 ].

Ces observations démontrent donc l’importance des propriétés mécaniques et hémodynamiques de l’environnement intravasculaire dans le potentiel métastatique des cellules tumorales circulantes.

De nombreuses recherches se concentrent sur l’étude de l’impact du microenvironnement tumoral, notamment de celui de propriétés mécaniques, sur la progression tumorale. Nous avons résumé ici les résultats récents qui démontrent que les fluides corporels, par les molécules qu’ils transportent et les forces qu’ils imposent sur les cellules stromales et tumorales, s’ajoutent à la liste des facteurs micro-environnementaux influençant le développement des cancers. Ils sont responsables de la dissémination de facteurs tumoraux sécrétés et des cellules tumorales circulantes, participent à la modification phénotypique des cellules tumorales, et jouent un rôle central dans la sélection (1) des sites préférentiels de formation des métastases et (2) des cellules tumorales qui parviennent à survivre au cours du processus métastatique. Aussi, la nature universelle ( a minima commune à tous les cancers solides) de ce facteur rend pertinente la démarche de compréhension des mécanismes d’interactions et de résistances à ces fluides. En conclusion, nous espérons qu’une approche fondamentale de l’impact biophysique de la mécanique des fluides corporels sur la progression tumorale nourrira la recherche dans l’avenir et aboutira in fine à la découverte de nouvelles thérapies anti-cancéreuses.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.