L’histoire de la chimiothérapie

Parmi les grands défis de la médecine actuelle, aucun n’a eu de commencement plus controversé ni de batailles plus acharnées que le traitement du cancer. Je dis « du cancer », mais ne nous trompons pas, il s’agit plutôt « des cancers » et c’est bien là une partie du problème. Les tumeurs malignes humaines, résultant d’une prolifération anarchique des cellules, sont en effet un groupe de maladies très variées, même dans leur classification histologique, dont la diversité est facilement révélée par leur exposition à toutes les formes de chimiothérapie connues aujourd’hui. Bien que la chirurgie néoplastique soit reconnue depuis quelques siècles, peu de choses étaient connues des mécanismes biologiques de transformation et de progression des tumeurs jusqu’à l’avènement de la chimie médicinale dans la seconde moitié du 20^ème siècle. Avant 1950, les thérapies étaient surtout du ressort du chirurgien, mais la maîtrise de la radioactivité et l’invention des accélérateurs linéaires de particules permit après 1960 le développement des thérapies par irradiation, autorisant, sinon une guérison, au moins un contrôle local de la maladie. Mais comme la chirurgie, la radiothérapie ne pouvait pas traiter les cancers métastatiques (dont les cellules tumorales se détachent de la tumeur initiale et essaiment dans tout l’organisme). Un traitement efficace supposait d’atteindre chaque organe du patient. La découverte de molécules biologiquement actives et de thérapies immunitaires sont alors devenues la cible des efforts de recherche, d’abord empiriques, puis rationalisés, de la part de multiples disciplines scientifiques agissant en synergie.

 

Découvertes empiriques (1940-1950)

Les balbutiements de la chimiothérapie moderne remontent à la découverte de l’efficacité des tristement célèbres gaz moutarde sur les cancers. En 1942, les pharmacologistes Louis Goodman Alfred Gilman, examinant le potentiel thérapeutique de certaines toxines développées par l’industrie militaire, observèrent lors d’autopsies de soldats exposés au gaz moutarde soufré (sulfure de 2,2'-dichlorodiéthyle), une importante hypoplasie lymphoïde associée à une myélosuppression (régression du système lymphatique et du nombre de globules sanguins, causant notamment une dépression immunitaire). Ils supposèrent que l’action mesurée d’un produit similaire à cet agent soufré pourrait causer une régression de tumeurs lymphatiques. Le traitement d’un patient souffrant d’un lymphome non-Hodgkinien grâce à une moutarde azotée, la caryolysine ou di-(2-chloroéthyl)-méthylamine, établit dès lors le principe qu’une molécule pouvait être administrée systémiquement pour induire une régression tumorale, bien qu’encore temporaire. Le mécanisme moléculaire découvert montra la formation d’un agent alkylant de type aziridinium, réagissant avec les sites nucléophiles des protéines et des acides nucléiques. Il fallut quelques temps pour comprendre que cet intermédiaire formait une liaison covalente avec l’ADN par une alkylation spécifique des bases purines, induisant un couplage croisé des brins d’ADN et une apoptose cellulaire (suicide cellulaire intervenant pour maintenir le bon fonctionnement d’un organe).

Figure 1. Alkylation d’une moutarde azotée par deux nucléophiles (ADN, protéines…).

 

Mais le principe était établit que les tumeurs pouvaient être plus susceptibles aux toxines que les tissus sains. D’autres agents alkylants améliorés, développés dans les vingt années suivantes, étaient chimiquement stabilisés par des substitutions par des groupements électroniquement enrichis, et purent être administrés par voie orale. Le cyclophosphamide, le chlorambucile et d’autres devinrent des standards pour traiter les patients atteints de lymphomes, de leucémies, et à moindre échelle de tumeurs solides. Malheureusement ces tumeurs devenaient rapidement chimiorésistantes à ces médicaments.

 

Les antifolates

Une seconde approche des thérapies moléculaires contre les cancers commença peu après la Seconde Guerre Mondiale, quand Sydney Farber investigua les effets de l’acide folique sur les leucémies. Cette vitamine, dite B9, a été identifiée par Lucy Wills en 1937 comme l’élément déficient chez des patients atteints d’anémie, et semblait stimuler la prolifération des leucémies lymphoblastes aiguës (LLA). A la fin des années 1940, les analogues folates synthétisés, tels que l’aminoptérine puis l’améthoptérine (méthotréxate), devinrent les premières molécules à permettre la rémission complète chez l’enfant atteint de LLA. Les rémissions étaient brèves mais montrèrent clairement que les folates pouvaient supprimer la prolifération de cellules malignes, permettant le rétablissement du fonctionnement normal de la moelle osseuse. En monothérapie, le méthotréxate se révéla efficace sur une grande variété de tumeurs épithéliales, incluant des cancers du sein, de l’ovaire, de la vessie, de la tête et du cou. Cependant ses effets les plus remarquables furent découverts sur deux types de tumeurs peu communes. En 1958, le National Cancer Institute (NCI) découvrit l’action du méthotréxate sur les choriocarcinomes, issus d’une tumeur du placenta. Ce fut la première tumeur solide à être guérie par chimiothérapie chez l’Homme. En 1974, Emil Frei montra que de hautes doses de méthotréxate associées à la leucovirine prévenait la résurgence d’ostéosarcomes après retrait chirurgical de la tumeur primaire, cependant accompagné d’effets toxiques sur la moelle osseuse réversibles : le principe de la polythérapie était posé.

Cependant, les mécanismes biologiques régissant la sélectivité observée de ces molécules contre les cellules tumorales n’étaient pas encore apparents dans ces premières études cliniques. Il fallut dix ans de recherche après la découverte de Farber pour que l’on trouve en 1958 que les principes actifs antifolates inhibent sélectivement une enzyme, la dihydrofolate réductase (DHFR). Des études plus poussées du mécanisme d’action du méthotréxate par Bertino, Goldman, Schimke et Chabner, il découla le modèle actuel expliquant les principes pharmacologiques de la chimiothérapie anticancéreuse. L’action du méthotréxate dépend de son transport dans les cellules par le transporteur folate-réduit 1 (RFT-1), de sa conversion en polyglutamate intracellulaire stable, puis de sa liaison à l’enzyme DHFR, qui conduit à l’inhibition de la synthèse des thymidylates et des purines, puis à l’apoptose. Des défauts cellulaires dans chacune de ces étapes peuvent conduire à une résistance médicamenteuse : la mutation de RTF-1, l’amplification ou la mutation de DHFR… l’ont montré. Le méthotréxate fut aussi la première drogue pour laquelle des analyses pharmacocinétiques furent menées en routine, afin de mesurer la biodisponibilité de la molécule et d’identifier les patients ayant un risque d’effets toxiques sévères. Ce produit est toujours utilisé pour traiter les malades souffrant d’LLA, ainsi que de certains lymphomes, ostéosarcomes et choriocarcinomes. Toutes ces études nous ont fourni un modèle solide pour la compréhension des mécanismes de résistance d’autres agents thérapeutiques.

 

Les débuts de la chimiothérapie moderne

Parmi les autres molécules antileucémiques de synthèse évaluées en tests cliniques dans les années 1950, la 6-mercaptopurine (6-MP) démontra qu’une petite modification de structure chimique dans un composé nécessaire à la cellule pouvait inhiber la croissance d’une tumeur. D’autre part, la société Eli Lilly exploita les célèbres alcaloïdes naturels de Vinca découverts récemment dans la pervenche de Madagascar. Cette pervenche produit deux principes actifs : la vinblastine et la vincristine, isolés entre 1958 et 1965, date à laquelle leur action anti-tumorale a été mise en évidence. Toute la plante est utilisée et produit 1 g de vinblastine et 10 g de vincristine par tonne de pervenche.

Figure 2. La pervenche de Madagascar pour les philatélistes.

 

L’effet de ces alcaloïdes fut démontré plus tard comme étant dû à une inhibition de la polymérisation des microtubules indispensables à la division cellulaire. Les efforts de synthèse de notre regretté Pierre Potier ont mené à son premier grand succès : la découverte d’une réaction de préparation de ces alcaloïdes indoliques complexes ouvrant ainsi la voie à la synthèse à grande échelle de la vinblastine. Cette réaction lui permit de découvrir en 1978 un dérivé non-naturel, la Navelbine®, produit développé par les laboratoires Pierre Fabre et maintenant largement utilisé pour le traitement des cancers bronchiques et des cancers du sein.

En 1965, Holland, Freireich et Frei montrèrent qu’une combinaison de méthotréxate, de vincristine (un autre alcaloïde de Vinca), de 6-MP et de prédnisone (régime POMP) pouvait induire une rémission à long terme chez les enfants atteints de LLA. De la même manière que la polythérapie antibiotique contre la tuberculose, l’association de drogues, chacune ayant un site d’action différent, s’avéra le moyen le plus efficace pour éviter les tumeurs résistantes.

Ces succès indiscutables menèrent le Congrès américain à créer le National Cancer Chemotherapy Service Center (NCCSC) en 1955, premier programme national destiné à promouvoir la découverte de nouvelles molécules anticancéreuses. A cette époque, cette discipline n’intéressait pas encore les industries pharmaceutiques, et les premiers moyens nécessaires pour la recherche, le développement, les études toxicologiques et les évaluations cliniques furent développés au NCCSC. Il en fut de même pour les modèles biologiques animaux, la production des lignées cellulaires tumorales P388 et leucémiques lymphoïdes L1210 et de tumeurs solides transplantables. Dans les années 1960 furent mis au point les premiers dosages in vivo pour quantifier la cytotoxicité d’un produit, ainsi que les bases de l’analyse cinétique de la croissance tumorale.

Il fut montré que selon la drogue utilisée, la mort cellulaire se produit durant un stade particulier du cycle de division. Les inhibiteurs de la synthèse d’ADN sont par exemple efficaces contrent les cellules en division rapides, alors que les agents alkylants ou endommageant l’ADN tue la cellule dans tous les stades de division. La cytotoxicité fut prouvée comme étant une fonction directe de la dose, expliquant les faibles fenêtres thérapeutiques entre la dose minimum efficace et la dose toxique. Finalement l’utilisation de thérapies à dose massive, en combinaison aujourd’hui avec une transplantation de moelle osseuse, se généralisa pour traiter les tumeurs réfractaires, certains lymphomes et leucémies.

A la fin des années 1960, la combinaison d’une moutarde azotée, de vincristine, de procarbazine et de prédnisone (régime MOPP) permettait de guérir les lymphomes Hodgkiniens et non-Hodgkiniens. Les traitements les plus efficaces étaient observés dans les cas de chimiothérapie combinatoire sur des tumeurs de petit volume. Même le modeste 5-fluorouracile, un inhibiteur de la synthèse de l’ADN, montra une amélioration du taux de survie en tant qu’additif aux traitements du cancer du colon. Ainsi, la chimiothérapie combinatoire se révéla bien plus efficace que l’utilisation de principes actifs seuls, notamment contre les cancers métastatiques et les risques de rechute après une intervention chirurgicale.

 

L’ère des produits naturels

Entre 1960 et 1980, les développements du NCCSC à travers un large réseau de chercheurs cliniciens, se portèrent sur l’étude des molécules naturelles. Un vaste programme de collecte et d’analyse de molécules extraites de végétaux et d’organismes marins permit la découverte des taxanes en 1964 et des camptothécines en 1966. Ces deux familles ont cependant rencontré de nombreux problèmes de développement.

Figure 3. L’ère des substances naturelles : feuilles d’If europpéen donnant accès au Taxotère®.

 

Ainsi le célèbre paclitaxel (Taxol®), agissant comme antimitotique par inhibition de la dépolymérisation des microtubules, fut un véritable défi synthétique. Il n’était en effet disponible qu’en faibles quantités, à partir de l’écorce de l’if du Pacifique (Taxus brevifolia), procédé inexploitable à grande échelle. 10 kg d’écorce fournissent seulement 1 g de médicament, permettant trois cycles de chimiothérapie et il faut abattre plusieurs arbres centenaires pour traiter un malade. Cette molécule présentait de plus une solubilité très faible nécessitant une formulation en émulsion lipidique causant une hypersensibilisation des patients. La révolution vint à nouveau de Pierre Potier, à de l’Institut de Chimie des Substances Naturelles dont il fut nommé directeur en 1974 : « Au milieu des années 80, Pierre Potier fut le premier à en proposer une hémi-synthèse. Il découvrit que l’on pouvait extraire des feuilles de l’If européen (Taxus baccata) une molécule apparentée, la 10-désacétyl-baccatine III, et la transformer en peu d’étapes et en grandes quantités en Taxol® ; des dizaines de laboratoires mondiaux se sont acharnés, sans succès, à trouver une meilleure solution. Tour de force supplémentaire, il mit en évidence parmi les composés intermédiaires de cette hémi-synthèse, un composé non naturel plus actif que le Taxol® lui-même et présentant un spectre d’activité plus large : cette découverte conduisit au Taxotère®, qui constitue actuellement le principal traitement de nombreux types de cancers  ». Le Taxotère®, qui s’avéra deux fois plus actif que le Taxol®, fut développé par les laboratoires Rhône-Poulenc.

Figure 4. Le paclitaxel, ou Taxol®.

 

Les camptothécines dérivent, elles, d’un arbre chinois ornemental. Elles inhibent une enzyme, la topoisomérase I, responsable d’une modification de l’enroulement des brins d’ADN lors de la réplication cellulaire. Mais malgré des débuts prometteurs lors des premières études cliniques, ces produits n’eurent pas autant d’activité antitumorale qu’espéré, et se révélèrent toxiques pour les reins. L’instabilité in vivo à pH neutre (par hydrolyse du cycle lactone de sa structure) fut jugée responsable de son inefficacité, alors qu’à pH acide une fois les urines atteintes, la forme active était reformée mais abîmait les canaux rénaux. Il fallut attendre 1996 pour qu’un analogue stable, l’irinotecan, reçoive son autorisation de mise sur le marché pour les traitements du cancer du colon. Ce médicament fut ensuite aussi utilisé contre les cancers du poumon et des ovaires.

Ainsi, l’exploration du « magasin du Bon Dieu » est aujourd’hui considérée comme un axe majeur de recherches.

 

Les problèmes de la « chimio »

Durant les années 1970 et 1980, les découvertes de nouveaux principes actifs et la compréhension des phénomènes biologiques continuent, principalement dans le domaine public. L’industrie pharmaceutique n’était pas encore impliquée massivement dans ces recherches. Cependant, la mauvaise réputation de la « chimio » par son efficacité toute relative et ses effets secondaires parfois redoutables s’installait. Les modèles animaux utilisés alors ne permettaient ni des études cliniques prédictives suffisamment fiables, ni de comprendre les blocages des stratégies thérapeutiques envisagées. Un des rares succès fut cependant la découverte du Cisplatine et plus généralement de dérivés organoplatines, ayant une large activité antitumorale et une moindre toxicité. Les anthracyclines et les épipodophyllotoxines qui inhibent l’enzyme topoisomérase II furent aussi de la partie. Mais les atteintes secondaires importantes sur beaucoup d’organes et les effets toxiques à long terme de tous ces produits étaient vus par les oncologistes à l’époque comme un mal nécessaire et alors inévitable. Certaines avancées thérapeutiques autour de la restauration de la moelle osseuse et des défenses immunitaires, alliées à un usage massif d’antibiotiques, permirent de progresser. Mais l’effet cytotoxique (qui tue la cellule) de ces drogues, recherché contre les cellules malignes mais non souhaité contre les cellules saines en division, est longtemps resté un obstacle majeur à l’essor de la chimiothérapie. Au début des années 1980, les essais cliniques étaient extrêmement long, et ne débouchaient souvent que sur peu d’amélioration contre les tumeurs solides. Les efforts portaient alors sur les antimétabolites, les agents alkylants, les antimitotiques et les inhibiteurs de topoisomérases, mais les synthèses parallèles de librairies de composés n’apportèrent pas de nouveautés flagrantes. Le criblage systématique de produits appliqué depuis 1955 avait atteint ses limites. En 1989 le NCI introduisit le concept de criblage de produits ciblés vers un type de cancer, à partir de 60 lignées de cellules dérivées de différents types de tumeurs humaines, et les tests cellulaires correspondant furent mis au point. Ces améliorations méthodologiques furent un grand pas, et ont été adoptées aujourd’hui par tous les grands laboratoires pharmaceutiques.

Figure 5. L’industrie pharmaceutique prend le problème en main.

 

La révolution des thérapies ciblées

Les progrès suivants vinrent des approches de la biologie moléculaire et génétique, qui permirent de découvrir et mieux comprendre les réseaux de communications qui régulent l’activité cellulaire, telle que la prolifération ou l’apoptose. Beaucoup de ces liens se sont avérés altérés dans les cellules cancéreuses. Cette vraie révolution fut alors menée par l’industrie pharmaceutique, petites entreprises de biotechnologies en tête. Ce fut la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques comme les facteurs de croissance, les molécules du signal, les protéines du cycle cellulaire, les modulateurs d’apoptose, les promoteurs de l’angiogénèse (la néovascularisation des tumeurs)… Au début des années 1990, l’explosion des cibles biologiques potentielles transforma la recherche contre le cancer et devint l’apanage d’une industrie multimilliardaire pouvant mettre les moyens et les investissements considérables nécessaires. Les innovations technologiques accrurent les découvertes de nouvelles cibles spécifiques et les succès. La chimie de synthèse combinatoire connu alors son heure de gloire en offrant des millions de produits de structure unique pour les tests in vitro de screening (criblage à haut-débit). Les molécules identifiées comme actives peuvent ensuite être optimisées, autour de leurs propriétés physicochimiques, comme leur spécificité ou leur biodisponibilité. La recherche de nouveaux composés devint plus rationnelle, et les principes de bases caractérisant une structure chimique intéressante furent posés : un produit intéressant doit notamment être métaboliquement stable, avoir un temps de vie assez long dans les modèles biologiques et chez l’Homme, ainsi qu’un faible taux de métabolisation par les enzymes telles que les cytochromes P450. Il est préférable de plus qu’il soit bien absorbé après administration orale, et qu’il présente une fenêtre thérapeutique correcte (marge entre la dose efficace et la dose toxique) avec des effets limités sur la moelle osseuse et l’épithélium intestinal. Les approches cytotoxiques générales et leurs terribles effets secondaires furent dès lors délaissés, pour des approches plus douces ciblant l’arrêt du cycle cellulaire, l’interruption de certaines communications intercellulaires, l’intervention au niveau d’un gène défectueux ou encore l’apoptose induite sélectivement.

Figure 6. Modélisation moléculaire d’un principe actif lié à une enzyme.

 

L’un des premiers médicaments de ce genre a été le mésylate d’imatinib (Glivec®), une molécule assez simple, développée par Novartis à partir d’un composé naturel. L’imatinib et un inhibiteur modéré de différentes kinases (les kinases sont des enzymes de transmission des communications cellulaires, souvent dérégulées dans les cancers). Les kinases sont ainsi devenues une cible privilégiée de recherche contre les cancers. Les études autour de ce produit ont néanmoins montré que les cellules tumorales chimiorésistantes sont très souvent présentes avant même le début du traitement, et prennent le dessus quand les autres cellules de la tumeur sont détruites. Une autre classe de composés est aujourd’hui sur le marché, les inhibiteurs du récepteur du facteur de croissance épidermal EGFR. Le médicament Iressa® (Gefitinib) développé par la société Astra Zeneca est un inhibiteur compétitif de l’ATP (adénosine triphosphate) sur le site actif de la tyrosine-kinase d’EGFR. Il empêche la prolifération cellulaire, et permet une rémission partielle chez 10 à 15% des patients atteints d’un cancer du poumon. EGFR est aujourd’hui une cible d’investigations très importante, car ce récepteur est par exemple présent sous une forme mutée chez une certaine partie de la population, qui répond alors beaucoup mieux aux traitements. Les chercheurs en chimie médicinale en apprennent un peu plus sur les mécanismes biologiques sous-jacents, et peuvent ainsi imaginer de nouvelles approches thérapeutiques.

La plupart des principes actifs utilisés aujourd’hui, cytotoxiques inclus, ont cependant des activités trop restreintes sur de nombreux patients atteints de certaines tumeurs solides. Les tests génomiques, protéomique et moléculaires destinés à identifier précisément une tumeur par ses marqueurs cellulaires spécifiques (il existe de très nombreux types de tumeurs, selon leur origine génétique, environnementale…) sont l’un des challenges des recherches cliniques autour d’un nouveau produit. Ceci afin de pouvoir mieux cibler les campagnes d’essais cliniques sur une population de patients homogène, et réduire le temps et le coût de la mise sur le marché d’un nouveau médicament. Il faut comprendre que les études cliniques concernant le cancer sont différentes des autres pathologies : elles ont lieu dès le début sur des personnes malades, dont les tumeurs doivent être identiques, et donc bien identifiées ! Là est toute la difficulté, contrairement à l’identification d’un virus ou d’une bactérie.

Malgré les succès rencontrés, il y a eu des déceptions avec les thérapies ciblées. Les inhibiteurs de farnésyle transférase sont ainsi entrés en études cliniques dans les années 1990 mais n’ont pas permis d’induire une régression des tumeurs solides traitées. Ils sont cependant efficaces, et toujours étudiés, contre les leucémies myéloïdes aiguës et les myelodysplasies. Une autre catégorie, les inhibiteurs d’angiogénèse, a eu des débuts décevants dans les années 1970 : pour pourvoir grossir et être irriguées par le sang, les tumeurs produisent des signaux moléculaires pour induire la croissance des vaisseaux sanguins à proximité, c’est l’angiogénèse. Ces molécules, appelées PDGF et VEGF (Platelet-Derived et Vascular Endothelial Growth Factor), sont des cibles privilégiées pour faire régresser les tumeurs en les privant de nutriments. Malgré les déboires cliniques d’un petit peptide endostatine, plusieurs molécules ont aujourd’hui fait leurs preuves comme anti-angiogènes, ainsi qu’un anticorps anti-VEGF, le bevacizumab (Avastin®) développé par Roche et Genentech.

 

Et demain ?

Les résultats obtenus aujourd’hui nous ont montré clairement que la voie des thérapies ciblées est aussi ardue que l’a été celle des cytotoxiques. Mais les principes appris sont toujours d’actualité, notamment que bien qu’instructifs, les modèles animaux sont des prédicteurs peu fiables pour estimer le succès d’une thérapie chez l’Homme. Le métabolisme animal différent de celui de l’Homme empêche la transposition simple des résultats pharmacocinétiques, et même la toxicité spécifique pour un organe, observée chez la souris, ne peut être extrapolée chez l’Homme. La diversité histologique et génétique des tumeurs génère de plus des possibilités de réponses variées à un médicament selon les patients. Un autre principe observé est que dans une tumeur humaine il existe plusieurs lignées de cellules dont certaines peuvent être résistantes au traitement et prendre progressivement l’avantage. A cause de ces chimiorésistances, les polythérapies sont essentielles pour éradiquer une tumeur et guérir complètement un patient. Les effets synergiques de certains composés ont heureusement bien été démontrés.

Il est devenu clair que la clé réside dans la compréhension fine des mécanismes biologiques présidant la formation et l’évolution des cellules cancéreuses. Après 60 ans de classement histologique des tumeurs, aujourd’hui leur classement selon l’étude des marqueurs moléculaires spécifiques, et la sélection des patients, confère un énorme avantage pour la réalisation d’études cliniques fiables et efficaces. Les futurs défis de la chimiothérapie se situent notamment autour des capacités de mutation des cellules cancéreuses, et de leur résistance à l’apoptose. Ce que la chimiothérapie pourra guérir dans 60 ans, l’avenir nous le dira, mais elle permettra sûrement d’allonger encore notre espérance de vie et d’améliorer notre qualité de vie.

 

Réf. : cet article est très largement inspiré de Nature Reviews Cancer, 5, 65-72 (2005).