Pharmacologie

Paclitaxel (Taxol®) : mécanismes d’action et optimisation thérapeutique par administration hebdomadaire

Mis en ligne le 01/02/2001

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RÉSUMÉ. Le paclitaxel (Taxol®) est un médicament anticancéreux actif sur les microtubules, développé durant les deux dernières décennies. Des travaux récents sur les mécanismes d’action du paclitaxel (concentration-dépendance, temps-dépendance des effets) ont suggéré qu’une augmentation de sa fréquence d’administration devrait améliorer son index thérapeutique. D’autre part, la toxicité hématologique, la neutropénie en particulier, est corrélée à la durée pendant laquelle les concentrations plasmatiques de paclitaxel dépassent 50 nM, suggérant un raccourcissement de la durée de perfusion. Collectivement, ces données sont à l’origine de nouveaux et nombreux essais thérapeutiques dont le but est d’évaluer l’efficacité et la tolérance du paclitaxel hebdomadaire en perfusion de courte durée, typiquement d’une heure. Les résultats disponibles démontrent que ce nouveau schéma d’administration, le plus souvent en monochimiothérapie, permet de délivrer aux patients une plus forte dose-intensité et dose-densité de paclitaxel, sans majoration de toxicité (la toxicité observée est généralement plus faible, la tolérance est souvent qualifiée d’excellente), avec un taux de réponse objective comparable ou légèrement supérieur à ce qui serait obtenu avec d’autres protocoles. Des données, encore en nombre limité, montrent que le schéma hebdomadaire est efficace dans des cas où la maladie était résistante au paclitaxel administré toutes les trois semaines. Mots-clés : Paclitaxel - Cancer - Chimiothérapie - Pharmacocinétique - Mécanismes d’action - Posologie - Mode d’administration - Dose-intensité - Dose-densité - Paclitaxel hebdomadaire. Le paclitaxel (Taxol®) est un médicament anticancéreux à large spectre d’activité, couramment utilisé dans le traitement des cancers du sein, de l’ovaire et du poumon, mais aussi dans d’autres localisations : tête et cou, vessie et œsophage (1). Il a été, au départ, identifié comme l’agent responsable de l’activité cytotoxique d’un extrait d’écorce de Taxus brevifolia (l’if). Les deux caractéristiques qui ont tout d’abord attiré l’attention sur cet agent étaient sa structure moléculaire originale et son activité antitumorale sur une large gamme de lignées cellulaires, d’origine animale ou humaine. Un peu plus tard, en 1979, l’activité du paclitaxel sur la tubuline est mise en évidence, et cette activité originale est rendue responsable de son effet antitumoral. Les progrès réalisés ces dernières années dans l’identification de différents processus liés à l’oncogenèse permettent une nouvelle évaluation du, ou plutôt des mécanisme(s) d’action anticancéreux du paclitaxel. ONCOGENÈSE, QUELQUES REPÈRES Les dysfonctionnements de divers processus cellulaires sont à la base du développement de la maladie cancéreuse. Les processus impliqués sont multiples et souvent intriqués. Il n’est pas question ici de faire une revue de tous les mécanismes ou hypothèses possibles. Dans un but de simplification, et pour mieux comprendre ensuite les modes d’action du paclitaxel, on peut faire une distinction entre phénomènes précoces et tardifs de l’oncogenèse. Oncogenèse, étapes précoces Les étapes précoces sont en fait intracellulaires (figure 1). Plusieurs dérèglements sont nécessaires :
  • Une activité télomérasique réapparaît, les télomères cessent de raccourcir et la cellule perd un de ses niveaux de contrôle pour la division cellulaire.
  • L’activité de gènes suppresseurs de tumeurs est altérée. Avec le gène p53 en particulier, du fait d’une mutation par exemple, la cellule perd la capacité d’assurer le maintien de son intégrité génétique.
  • L’instabilité génétique ainsi produite peut aboutir à l’activation de proto-oncogènes, produisant des protéines Ras dans une forme active, responsables de la production de signaux prolifératifs.
Les cellules sont alors capables de croître indéfiniment. La transformation de cellules normales en cellules cancéreuses a été obtenue, in vitro, par l’addition de trois gènes (hTERT, T de SV40, Ras) codant respectivement pour la sous-unité catalytique de la télomérase, pour une activité anti-p53 et anti-RB, et pour un signal mitotique fort (2).
 
Figure 1. Oncogenèse, étapes précoces cellulaires. La cancérisation est obtenue en plusieurs étapes : l’addition de la sous-unité cata-lytique hTERT de la télomérase empêche le raccourcissement des télomères ; l’addition d’un antigène spécifique inactive le gène suppresseur de tumeur p53 (étape-p53) ; enfin, l’addition d’un oncogène Ras activé permet aux cellules de croître indéfiniment en l’absence de facteurs de croissance. Les différents niveaux d’action du paclitaxel : flèche continue, certain ; flèche discontinue : fortes concentrations, peu probable.
Oncogenèse, étapes tardives Une fois acquises les caractéristiques génétiques de la transformation cancéreuse, les cellules vont se mettre à proliférer, et ce, de manière continue, exacerbée, même en l’absence de facteurs de croissance. Cette prolifération est anarchique, car les cellules cancéreuses ont perdu leurs propriétés d’inhibition de contact, et elles sont alors capables de former des colonies en l’absence de support. La croissance et la dissémination de la tumeur sont bien sûr facilitées par les phénomènes de néovascularisation. L’angiogenèse est stimulée par la production de facteurs angiogéniques par les cellules cancéreuses elles-mêmes (figure 2).
 
Figure 2. Oncogenèse, étapes tardives extracellulaires. Le paclitaxel agit en diminuant la prolifération et en inhibant la néoangiogenèse.
PACLITAXEL, MÉCANISMES D’ACTION Le paclitaxel se fixe aux microtubules, entraînant ainsi leur stabilisation. Cette interaction avec la tubuline (et l’observation de l’arrêt du cycle cellulaire aux phases tardives G2/M, via l’inhibition de la formation du fuseau mitotique) a été rendue responsable de l’activité cytotoxique du paclitaxel (1). La figure 3 schématise les effets du paclitaxel au niveau cellulaire.
 
Figure 3. Mécanismes d’action intracellulaires du paclitaxel. Les flèches en trait plein indiquent les mécanismes d’action validés observés à faible concentration. Les traits pointillés indiquent les voies mises en jeu à fortes concentrations, moins probables. La concentration intracellulaire de paclitaxel dépend du niveau d’expression de la P-glycoprotéine mdr1 qui, si elle est élevée, entraîne une résistance. L’interaction avec la tubuline est une étape essentielle pour l’activité du paclitaxel à faible concentration. Une mutation de la tubuline peut être une cause de résistance au paclitaxel.
Interaction avec la tubuline Les microtubules sont composés de polymères de tubuline. Ces polymères sont en équilibre, réversible, avec des hétérodimères de tubuline, composés de sous-unités alpha et bêta. Les microtubules participent à la formation du fuseau mitotique, mais ils sont également impliqués dans la maintenance de la structure cellulaire, dans la motilité, dans certains processus de signalisation et dans le transport intracellulaire. Le paclitaxel se fixe sur la partie N-terminale de la sous-unité bêta, à un site distinct des sites de fixation d’autres agents actifs sur la tubuline (vinblastine, colchicine, podophyllotoxine). L’interaction paclitaxel-tubuline produit deux types d’effets selon sa concentration intracellulaire. Lorsque sa concentration est inférieure au nanomolaire, le paclitaxel inhibe la dépolymérisation des microtubules, tandis qu’il provoque une augmentation de leur masse et de leur nombre à plus forte concentration (3-5). Les microtubules ainsi formés sont extrêmement stables et donc non fonctionnels, rompant la dynamique requise pour la division cellulaire (phénomènes d’élongation et de raccourcissement) et pour les fonctions vitales durant l’interphase. Mécanismes de résistance Ce mode d’action explique un mécanisme de résistance au paclitaxel, observé sur des tumeurs dont les sous-unités de tubuline présentent une capacité défectueuse à se polymériser en microtubules (6). La deuxième cause de résistance au paclitaxel est commune à de nombreux médicaments anticancéreux ; il s’agit de l’augmentation de l’expression du gène mdr1, induisant une augmentation de concentration en P-glycoprotéine membranaire et donc de l’efflux du médicament. Effets temps- et concentration-dépendants du paclitaxel Après traitement de lignées cellulaires tumorales par le paclitaxel, la mort cellulaire semble toujours se produire rapidement après un arrêt du cycle cellulaire en phase G2/M. Les caractéristiques morphologiques et biochimiques des cellules tuées sont comparables à celles de l’apoptose. On observe une condensation des chromosomes, la formation de protubérances au niveau de la membrane plasmique et la fragmentation internucléosomique de l’ADN (3). Sur des lignées cellulaires non cancéreuses, on constate un arrêt réversible à la phase G1 (7). En fait, les effets observés sur les cultures cellulaires dépendent à la fois de la concentration de paclitaxel et de la durée d’exposition auxquelles sont soumises les cellules (8). Le tableau I montre que l’apoptose semble dépendre de l’exposition au paclitaxel, c’est-à-dire du produit de la concentration par le temps de contact. L’apoptose serait ainsi induite pour une exposition comprise entre 20 et 60 nM x heure. De plus, cette étude indique que l’apoptose peut être induite en l’absence d’arrêt mitotique, pendant la phase S, à faible concentration, 10 nM, avec un temps de contact prolongé. Cela suggère deux mécanismes d’action distincts pouvant induire l’apoptose, l’un lié à l’arrêt en phase G2/M et un autre indépendant de cette voie. Le paclitaxel, à faibles concentrations, entre 10 et 100 nM, bloque la division cellulaire au niveau de la transition métaphase-anaphase, du fait de son seul effet sur la dynamique des microtubules. L’inhibition du déroulement de la mitose et son arrêt sont bien corrélés avec la cytotoxicité du paclitaxel, et les cellules en mitose sont plus sensibles à l’action du paclitaxel. Entre 5 et 9 nM, on peut observer un délai dans la progression de la mitose, avec phénomène de sortie aberrante de la mitose, et finalement apoptose (5). En fait, comme avec tous les agents actifs sur les microtubules, on observe une augmentation de la concentration de bcl-2 phosphorylée. L’hyperphosphorylation de bcl-2 est un signe accompagnant l’arrêt mitotique et l’apoptose. La ou les kinase(s) responsable(s) de cette hyperphosphorylation ne sont pas définitivement identifiées (raf-1, JNK...) (5). À fortes concentrations, de l’ordre du micromolaire ou plus, on a décrit des effets sur le TNF-alpha, sur des kinases (p34cdc2, JNK/SAPK), sur des interleukines, sur des facteurs de transcription, etc. (5). Sur des préparations de mitochondries isolées de cellules cancéreuses, le paclitaxel, pour des concentrations de 10 à 100 μM, entraîne une libération de cytochrome c, facteur activant la voie des caspases et induisant l’apoptose (9). Ces activités ont peu de chances d’être impliquées en pratique thérapeutique, car les concentrations de paclitaxel nécessaires, 3 à 100 μM, ne sont probablement pas atteintes dans les tumeurs solides. Au mieux, la population de cellules tumorales au voisinage des capillaires pourrait effectivement être concernée, car les cellules sont capables de concentrer le paclitaxel dans le “compartiment des microtubules” (voir Pharmacocinétique).
Tableau I. Effets cytotoxiques du paclitaxel sur la lignée cellulaire HL60 en fonction de la concentration et du temps de contact (8).
Concentration
Durée (heures)
Phase
Apoptose
20 nM
1
Arrêt mitotique réversible
Non
10 nM
12
Pas de blocage de la mitose phase S
Oui
60 nM
1
Arrêt mitotique irréversible
Oui
10 nM
24
Arrêt mitotique irréversible
Oui
Paclitaxel et status p53 Le gène suppresseur de tumeur p53 code pour la protéine p53, dont la fonction est altérée dans plus de 50 % des cancers humains. La protéine p53 protège la cellule contre les lésions génotoxiques, soit en contrôlant des processus de réparation, soit en induisant l’apoptose. L’induction, faible, de la p53 par le paclitaxel est effective pour des concentrations de l’ordre du nanomolaire, avec un maximum obtenu vers 24 heures (4, 5). Quelques études, in vitro uniquement, ont montré que les cellules avec une p53 mutée répondaient mieux au paclitaxel (4). En fait, le consensus actuel est que l’activité du paclitaxel est indépendante du status p53, en opposition avec les anticancéreux produisant des lésions de l’ADN, pour lesquels la réponse est meilleure si la p53 est fonctionnelle (5). Autres effets Outre les effets sur la cellule cancéreuse elle-même, deux types d’activités paraissent intéressantes :
  • Le paclitaxel provoque expérimentalement sur la souris une diminution de la pression intratumorale, consécutive à la perte de cellules tumorales, avec augmentation du diamètre des vaisseaux sanguins, améliorant ainsi la surface d’échange et l’apport d’oxygène (10). Cet effet, obtenu à concentration cytotoxique, explique en partie la synergie des effets cytotoxiques du paclitaxel et des radiations ionisantes. L’augmentation de la surface d’échange entraîne probablement une meilleure diffusion des cytotoxiques dans la tumeur, ce qui est également vrai pour les nutriments apportés aux cellules cancéreuses.
  • Le paclitaxel présente aussi des propriétés antiangio-géniques intéressantes. Ces effets sont observés, in vivo et in vitro, à concentrations infracytotoxiques (11-13). Ils sont apparemment en contradiction avec le point précédent, mais il faut considérer que c’est la néoangiogenèse qui est ici inhibée, c’est-à-dire la création de nouveaux vaisseaux, facteurs favorisant l’extension de la masse tumorale (figure 2).
Conclusion Le paclitaxel exerce des effets anticancéreux à deux niveaux :
  • Au niveau cellulaire. Le point essentiel est l’interaction avec la tubuline, comme le confirme la résistance observée en présence de tubuline mutée. L’apoptose peut être induite à faible concentration, bien en dessous de 100 nM, à partir de 10 nM. Elle est généralement consécutive à un arrêt en phase G2/M, et les cellules sont plus sensibles à l’action du paclitaxel lorsqu’elles sont en phase de mitose. Enfin, l’activité du paclitaxel ne dépend pas du status p53, c’est-à-dire qu’il reste actif sur des lignées tumorales ayant une p53 mutée.
  • Au niveau supracellulaire. L’activité antiangiogénique du paclitaxel, à dose infracytotoxique, doit induire une inhibition de l’extension tumorale et une diminution des phénomènes de dissémination.
centre(s) d’intérêt
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