Les recherches en biologie du cancer ont montré que le développement tumoral ne se réduit pas à une simple multiplication anarchique et incontrôlée de cellules néoplasiques mais qu’il dépend également de nombreuses interactions entre ces cellules et les éléments tissulaires de l’hôte. La modification de la matrice extracellulaire est ainsi une étape importante, non seulement nécessaire à l’invasion par les cellules tumorales mais aussi à leur prolifération. Elle permet aussi la formation de néo-vaisseaux qui favorisent la croissance tumorale et, par la suite, représentent le point de départ des cellules cancéreuses migrant à travers leur paroi pour donner naissance à des sites métastatiques. Parallèlement au développement de drogues cytotoxiques de plus en plus performantes, l’invasion, l’angiogenèse et la dissémination métastatique sont devenues de nouvelles cibles thérapeutiques. Les métalloprotéases matricielles (MMP pour matrix metalloproteinase) sont, comme leur nom l’indique, activement impliquées dans la protéolyse de la matrice extracellulaire et ont fait l’objet de nombreux travaux débouchant récemment sur la production par l’industrie pharmaceutique d’inhibiteurs synthétiques. Cet article se propose de revoir les principales caractéristiques des MMP, leur structure, leurs substrats et leur classification. Les rôles de ces enzymes dans les différentes étapes de la progression tumorale seront ensuite résumés. Enfin, à partir des résultats des premiers essais cliniques, l’accent sera mis sur les bénéfices thérapeutiques potentiels de l’inhibition des MMP et sur les nouvelles questions que pose le développement de leurs inhibiteurs synthétiques dans le traitement anti-cancéreux.

La famille des MMP est composée de plus de 20 endopeptidases, dénommées soit par un nom descriptif soit par un numéro [1] (Figure 1). Malgré une certaine spécificité des substrats, les spectres protéolytiques des différentes MMP sont assez larges et se recouvrent, ce qui permet la dégradation de l’ensemble des composants de la matrice extracellulaire. Toutes les MMP sont constituées de trois domaines : le pré-domaine, nécessaire à leur acheminement intracellulaire jusqu’à la surface cellulaire, le pro-domaine et le domaine catalytique proprement dit. Le pré-domaine est rapidement éliminé après la sécrétion et est absent de la forme enzymatique mûre. Le pro-domaine maintient l’activité enzymatique sous forme latente et est classiquement constitué d’une séquence peptidique comprenant un résidu cystéine qui interagit avec le site catalytique. Ce dernier contient un atome de zinc maintenu par trois résidus histidine au fond d’une structure peptidique tridimensionnelle en forme de poche. Le résidu cystéine du pro-domaine agit comme le quatrième ligand de cet ion métallique. Le clivage protéolytique du pro-domaine, libérant ainsi l’atome de zinc du résidu cystéine, entraîne l’activation du site catalytique qui peut alors se lier à son substrat par pénétration d’une molécule d’H₂O. La plupart des MMP ont un quatrième domaine en position carboxy-terminale. Cette chaîne polypeptidique est homologue de la vitronectine ou de l’hémopexine et intervient dans la reconnaissance du substrat des MMP. Elle est rattachée au domaine catalytique par une région charnière riche en résidus proline.

Les MMP peuvent être classées en six groupes d’après leurs différences structurales (Figure 1).

Figure 1. Classification des MMP. Les MMP sont groupées en six classes en fonction de leur structure. Chaque MMP est dénommée par un numéro ou par un nom descriptif en rapport avec ces différentes classes.

Figure 1. Classification des MMP. Les MMP sont groupées en six classes en fonction de leur structure. Chaque MMP est dénommée par un numéro ou par un nom descriptif en rapport avec ces différentes classes.

L’activité des MMP dans l’espace extracellulaire dépend de l’équilibre entre leur inhibition et leur activation (Figure 2). En effet, outre les inhibiteurs synthétiques dont nous parlerons par la suite, l’activité des MMP est contrôlée par des inhibiteurs endogènes. Ces inhibiteurs, connus sous le nom de TIMP (tissue inhibitors of matrix metalloproteinases) forment un complexe équimoléculaire avec les formes actives des MMP. Dans ces complexes, le domaine amino-terminal des TIMP se lie au domaine catalytique des MMP et, de ce fait, bloque l’accès à la poche contenant l’atome de zinc [8]. Ces complexes sont stables et irréversibles. Quatre TIMP (TIMP-1, TIMP-2, TIMP-3 et TIMP-4) ont été identifiés et tous sont capables d’inhiber l’activité des MMP avec un certain degré de spécificité (par exemple, TIMP-2, mais pas TIMP-1, inhibe la MT1-MMP). La régulation des MMP par les TIMP est donc un facteur important contrôlant le catabolisme de la matrice extracellulaire et des modifications de cette régulation ont été à l’origine de plusieurs états pathologiques comme l’arthrite, le cancer, la réparation tissulaire et la cirrhose [9]. Par ailleurs, pour être douées d’activité protéolytique, les MMP doivent être activées par clivage du pro-domaine. Cette activation peut se faire soit dans le milieu extracellulaire, soit à la surface cellulaire ou encore dans le cytoplasme. Plusieurs protéases comme la plasmine et les MMP elles-mêmes sont capables d’éliminer le pro-peptide et d’activer les MMP. Les MMP peuvent donc activer un membre d’une autre classe. Par exemple, la MMP-1 est activée par la plasmine ou la stromélysine-1 [10]. Un mécanisme unique de régulation de la gélatinase-A (MMP-2) a été décrit au niveau de la surface cellulaire. La forme inactive de cette MMP peut se lier à la MMP transmembranaire, MT1-MMP, en formant un complexe trimoléculaire avec TIMP-2. La formation de ce complexe à la surface de la cellule permet à une seconde molécule de MT1-MMP de couper le peptide N-terminal de la pro-MMP-2 et d’activer ainsi la protéase. Dans ce mécanisme d’activation, TIMP-2 joue un rôle d’activateur et non d’inhibiteur (agissant comme une molécule adaptatrice) et MT-1 MMP joue un double rôle de molécule réceptrice et activatrice [5]. Certaines MMP peuvent aussi être activées à l’intérieur de la cellule, avant leur sécrétion. C’est en particulier le cas de plusieurs MT-MMP qui ont une séquence spécifique (RRKR) dans leur pro-domaine, reconnue par les furines, une famille de sérine protéases.

Figure 2. Mécanismes de régulation de l’activité des MMP. Les MMP sont inhibées par la formation d’un complexe équimolaire avec le TIMP (A) ou par des inhibiteurs synthétiques pseudo-peptidiques ou non-peptidiques qui entrent en compétition au niveau du site catalytique avec le substrat naturel (B). Les MMP sont aussi sécrétées sous forme de pro-enzyme et doivent être activées par clivage protéolytique du pro-domaine. Ce clivage se produit soit dans le milieu extracellulaire par l’action d’une autre MMP ou de la plasmine (C), soit à la surface cellulaire comme c’est le cas pour la pro-MMP2 (violet) qui est activée par la MT1-MMP (bleu) à laquelle elle se lie après avoir formé un complexe avec le TIMP-2 (rouge) (D).

Figure 2. Mécanismes de régulation de l’activité des MMP. Les MMP sont inhibées par la formation d’un complexe équimolaire avec le TIMP (A) ou par des inhibiteurs synthétiques pseudo-peptidiques ou non-peptidiques qui entrent en compétition au niveau du site catalytique avec le substrat naturel (B). Les MMP sont aussi sécrétées sous forme de pro-enzyme et doivent être activées par clivage protéolytique du pro-domaine. Ce clivage se produit soit dans le milieu extracellulaire par l’action d’une autre MMP ou de la plasmine (C), soit à la surface cellulaire comme c’est le cas pour la pro-MMP2 (violet) qui est activée par la MT1-MMP (bleu) à laquelle elle se lie après avoir formé un complexe avec le TIMP-2 (rouge) (D).

Le rôle des MMP dans la progression cancéreuse a fait l’objet de recherches intensives depuis plus de deux décennies. Un rôle important fut initialement attribué à la capacité des MMP de dégrader la matrice extracellulaire, favorisant ainsi l’invasion tumorale. Il est maintenant clair que parce que les MMP ont une activité protéolytique également dirigée contre des protéines non matricielles, ces protéases jouent un rôle complexe dans plusieurs autres étapes de la progression tumorale [1]. Les contributions des MMP dans ces différentes étapes sont illustrées sur la Figure 3.

Figure 3. Rôles des MMP dans la progression tumorale. Les effets des MMP sont indiqués à chaque étape de la progression tumorale. 1. promotion tumorale ; 2. invasion locale ; 3. prolifération ; 4. angiogenèse ; 5. intravasation ; 6. extravasation ; 7. croissance métastatique.

Figure 3. Rôles des MMP dans la progression tumorale. Les effets des MMP sont indiqués à chaque étape de la progression tumorale. 1. promotion tumorale ; 2. invasion locale ; 3. prolifération ; 4. angiogenèse ; 5. intravasation ; 6. extravasation ; 7. croissance métastatique.

Le rôle de ces MMP dans la progression tumorale en a fait une cible thérapeutique importante. En outre, le fait que, dans de nombreux cancers, les MMP sont produites par les cellules du stroma plutôt que par les cellules tumorales suggère que l’inhibition des MMP pourrait échapper au développement de résistances principalement dues à l’instabilité génétique des cellules tumorales. Différentes approches ont ainsi été développées pour interférer avec l’expression ou l’activation des MMP [31]. La méthode principale réside dans l’emploi d’inhibiteurs synthétiques qui interagissent directement avec le site catalytique des MMP pour bloquer de façon réversible leur activité protéolytique [31]. Plusieurs molécules ayant une grande affinité pour les MMP ont été synthétisées et peuvent être classées en trois catégories.

Dérivés des tétracyclines

Cette classe de médicaments comprend des antibiotiques classiques tels que la tétracycline, la doxycycline et la minocycline, mais aussi de nouveaux composés analogues tels que le Metastat^® (Col-3), une tétracycline chimiquement modifiée pour éliminer l’activité antimicrobienne et la toxicité gastro-intestinale. Ces composés inhibent les collagénases et les gélatinases par divers mécanismes. Ils bloquent l’activité des MMP par chélation de l’atome de zinc du site catalytique, interfèrent avec l’activation protéolytique des proenzymes, réduisent l’expression des MMP et diminuent leur dégradation [31, 33].

D’autres molécules sont encore capables d’inhiber les MMP. Ainsi, les biphosphonates, utilisés dans les désordres de l’équilibre calcique et plus récemment dans le traitement palliatif des métastases osseuses de certains cancers, semblent diminuer l’activité protéolytique et réduisent aussi la sécrétion de MMP-2 et MT1-MMP [31].

De nombreuses expériences in vitro et in vivo utilisant des modèles animaux ont permis le développement de ces molécules par l’industrie pharmaceutique. Le Tableau I reprend les caractéristiques des principaux inhibiteurs synthétiques ainsi que les effets observés lors des différentes études précliniques. Le Batimastat^® a été initialement testé sur des tumeurs ovariennes greffées dans la cavité péritonéale de souris nude. Une diminution significative du volume tumoral a été démontrée, prolongeant ainsi de 5 à 6 fois la survie des animaux traités [34]. Par la suite, les études menées avec d’autres inhibiteurs ont confirmé cet effet sur la croissance de la tumeur primaire, permettant une amélioration de la survie des animaux traités, ainsi qu’une inhibition de l’angiogenèse et une réduction de l’invasion locale ou de la dissémination métastatique dans différents modèles de cancer humain ou animal (côlon, pancréas, sein, prostate, ovaire, foie, poumon, gliome, mélanome). En outre, les inhibiteurs des MMP se sont avérés d’autant plus efficaces qu’ils sont administrés à un stade précoce de la progression tumorale [35–37]. Par ailleurs, plusieurs études récentes ont montré que les inhibiteurs des MMP pouvaient agir en synergie avec la chimiothérapie. Giavazzi et al. ont ainsi obtenu une inhibition complète de la croissance de tumeurs ovariennes traitées par une combinaison de Batimastat^® et de cisplatine [38]

Tableau I. Propriétés des principaux inhibiteurs synthétiques des MMP.

Tableau I. Propriétés des principaux inhibiteurs synthétiques des MMP.

Plusieurs essais cliniques ont ensuite été réalisés avec ces inhibiteurs de MMP chez des patients porteurs de cancers avancés (Tableau II). Lors des études de toxicité (phase I/II), les principaux effets secondaires rapportés ont consisté en des douleurs musculo-articulaires de type inflammatoire, réversibles à l’arrêt du traitement [39]. Cette toxicité a été initialement décrite lors de l’administration prolongée de Marimastat^® [40]. L’inhibition de la MMP-1 par cet inhibiteur à large spectre a d’abord été invoquée pour expliquer ces douleurs. Cependant, les premiers essais de phase I réalisés avec le Prinomastat^® (AG3340), qui a peu d’activité vis-à-vis de la MMP-1, ont montré ce même type de toxicité [41]. L’administration de BAY 12-9566, dont la structure moléculaire est différente de celle des autres inhibiteurs, s’accompagne d’autres effets secondaires. Si on ne note aucune toxicité articulaire, des élévations asymptomatiques des enzymes hépatiques ainsi que des thrombocytopénies ont été observées [42]. De même, le BMS-275291 ne semble pas associé à des douleurs musculo-articulaires [43]. Ces observations suggèrent que la toxicité articulaire des inhibiteurs des MMP pourrait être produite par l’activité « libératrice » des MMP et particulièrement par une inhibition de la libération du récepteur extracellulaire du TNF (tumor necrosis factor). Le BMS-275291 est en effet le seul composé qui n’inhibe pas la libération de ce récepteur de la surface cellulaire [43]. Outre ces douleurs musculosquelettiques, le CGS-27023 entraîne une toxicité cutanée sous forme d’éruption cutanée, réversible à l’arrêt du traitement [44]. Enfin, les effets secondaires décrits pour le Metastat^® (Col-3) incluent phototoxicité cutanée, anémie, induction de lupus érythémateux disséminé, nausées, élévation des enzymes hépatiques, fièvre et neurotoxicité [33].

Tableau II. Principales études cliniques réalisées avec les inhibiteurs synthétiques des MMP.

Tableau II. Principales études cliniques réalisées avec les inhibiteurs synthétiques des MMP.

Plus récemment, des essais thérapeutiques cliniques (phase III) ont complété ces études de toxicité. Malgré des premiers résultats prometteurs, tels que la diminution du nombre de thoracentèses après administration intrapleurale de Batimastat^® chez des patients atteints d’épanchement pleural carcinomateux [45], les études de groupes plus importants n’ont actuellement pas mis en évidence d’avantage clinique significatif. Le Marimastat^® administré à des patients ayant un cancer pancréatique inopérable n’a pas montré de supériorité thérapeutique par rapport à la gemcitabine. De même, chez des patients atteints d’un cancer gastrique avancé, le Marimastat^®, bien que retardant la progression de la maladie, n’a pas permis une amélioration significative de la survie par rapport à un placebo. Enfin, ce même inhibiteur combiné à la gemcitabine ne prolonge pas plus la survie de patients ayant un cancer pancréatique étendu que la gemcitabine associée à un placebo [1]. D’autres études réalisées avec le Marimastat^® chez des patients atteints de glioblastome, de cancers pulmonaires et mammaires, et avec le Prinomastat^® (AG3340) dans des cancers pulmonaires et prostatiques devraient également être rapportées prochainement. La firme Bayer a, quant à elle, suspendu ses essais cliniques avec le BAY 12-9566, préférant approfondir les recherches sur des modèles précliniques [1].

Le problème de ces études thérapeutiques cliniques est qu’elles ont été réalisées chez des patients atteints de cancers avancés. Les expériences sur des modèles animaux ont très clairement démontré que l’inhibition des MMP était d’autant plus efficace sur la progression tumorale qu’elle était réalisée précocement. Chez ces patients atteints de tumeurs étendues, les principaux effets ciblés par les inhibiteurs de MMP tels que l’invasion tumorale, l’angiogenèse ou la dissémination métastatique se sont déjà produits, expliquant que le rôle des MMP ne peut être que mineur à ce stade. Ces expériences ne permettent donc pas de conclure sur le rôle des inhibiteurs des MMP dans le traitement anti-cancéreux. De nouveaux essais cliniques doivent être réalisés chez des patients porteurs de cancers à un stade précoce ou, mieux encore, en rémission, comme traitement préventif de la dissémination métastatique [46]. Ces inhibiteurs pourraient être testés seuls ou, comme cela est suggéré par plusieurs études pré-cliniques, en combinaison avec la chimiothérapie. L’évaluation de telles études repose cependant sur la disponibilité de marqueurs biologiques capables d’identifier précocement et spécifiquement l’activité des inhibiteurs de MMP. La concentration plasmatique de facteurs de croissance angiogéniques (VEGF et bFGF), ou encore l’excrétion urinaire de produits de dégradation du collagène ont ainsi été mesurées chez des patients traités par le BAY12-9566 ou le Metastat^® (Col-3), mais ces essais ne se sont pas avérés concluants [33, 42]. De façon similaire, le Marimastat^® ne semble pas modifier significativement les taux sériques de MMP [40]. Bremer a toutefois rapporté récemment l’utilisation d’un substrat synthétique fluorogénique permettant de quantifier de façon sélective l’activité protéolytique de la MMP-2 [47]. Cette technique est prometteuse car elle permet de détecter in vivo, et de façon non invasive, les tumeurs possédant une activité protéolytique importante et de vérifier par la suite l’efficacité des inhibiteurs synthétiques sur ce tissu tumoral.

L’implication active des MMP lors des différentes étapes de la progression tumorale s’appuie sur de nombreuses observations cliniques décrivant l’expression importante des MMP dans différents cancers métastatiques humains. Elle est aussi fondée sur le large spectre de protéines matricielles et non matricielles qui sont modifiées par les MMP et sur les conséquences de ces modifications dans le domaine de la croissance et de l’invasion tumorale. Ces faits prouvés ont conduit au développement d’inhibiteurs synthétiques des MMP. Plusieurs études pré-cliniques réalisées avec des modèles animaux utilisant ces composés ont ainsi démontré l’intérêt de l’inhibition des MMP dans le traitement du cancer. Même si les premiers essais cliniques réalisés chez des patients atteints de cancers avancés n’ont pas apporté de bénéfices thérapeutiques significatifs, ces inhibiteurs lancent de nouveaux défis. Des essais cliniques, introduisant les inhibiteurs des MMP précocement ou à des stades où l’extension de la maladie est limitée doivent être mis en route pour réellement apprécier les avantages potentiels de ces molécules. Le développement de marqueurs biologiques permettant de suivre et de vérifier spécifiquement l’action de ces composés est une autre priorité dans ce domaine. Enfin, une compréhension plus approfondie des mécanismes moléculaires à la base du rôle des MMP dans la physiopathologie du cancer est aussi nécessaire. Ce point est notamment illustré par l’observation récente de l’effet protecteur du Batimastat^® sur des souris porteuses de mélanome-B16, traitées par le TNF et l’interféron γ [48]. L’activité protéolytique des MMP sur un nombre sans cesse grandissant de substrats non matriciels démontre que leur contribution dans la progression cancéreuse est complexe et peut parfois résulter en une stimulation ou en une inhibition du développement tumoral. Face à ces effets paradoxaux, l’inhibition thérapeutique des MMP pourrait être optimisée par la production de composés interférant de façon sélective et non toxique avec les mécanismes promouvant la progression tumorale. Telles sont donc les futures directions de la recherche, tant clinique que fondamentale, dans un domaine qui est loin d’être clos.

La vignette de la page 565 a été grâcieusement fournie par Pfizer Global Research and Development, La Jolla/Agouro Pharmaceuticals Inc.