Comprendre le rôle du microbiome dans le cancer colorectal

Introduction

Le fardeau mondial du cancer colorectal devrait augmenter de 60 %, pour atteindre plus de 2,2 millions de nouveaux cas et 1,1million de décès d’ici 2030 1. Au Luxembourg, le cancer colorectal représente le deuxième cancer le plus fréquent (GLOBACON Luxembourg 2018). À l’heure actuelle, le pronostic des patients du CRC est fondé sur des caractéristiques clinicopathologiques, comme le stade tumoral, établis au moment du diagnostic 2. Alors que le risque de récidive suite à une résection chirurgicale est de 30% pour les patients atteints de maladies de stade I ou II, telles que définies par l’American Joint Committee on Cancer, ce risque est de 50 à 60 % pour les patients atteints de la maladie de stade III 3. Il est donc impératif d’identifier des nouveaux biomarqueurs capables d’identifier précocement le cancer. De plus, le développement de nouveaux traitements est nécessaire afin d’améliorer le devenir des patients atteints d’un cancer colorectal.

Les objectifs du projet

Dans notre projet de recherche intitulé « MICROH-CRC : Comprendre le rôle du microbiome dans le cancer colorectal », nous avons trois objectifs majeurs (Figure 1) :

• O1 : Caractériser la composition du microbiote ainsi que des métabolites sécrétés chez des patients atteints du cancer colorectal dans une collection luxembourgeoise.
• O2 : Etudier l’effet des bactéries associées au cancer colorectal dans l’initiation et la progression du cancer colorectal.
• O3 : Déterminer l’effet des régimes alimentaires sur le microbiome dans le cadre du développement et de la progression du cancer colorectal

Figure 1 : Objectifs de l’étude.

Au cours des dernières années notre laboratoire, le Molecular Disease Mechanisms Group (MDM) » à l’Université du Luxembourg a collaboré avec différents hôpitaux du pays, la Integrated Biobank of Luxembourg (IBBL), le Luxembourg Institute of Health (LIH) et le Laboratoire National de Santé (LNS) afin d’établir une collection continue d’échantillons de tissus tumoraux de patients atteints du cancer colorectal. Cette collection, qui a débuté en 2010, rassemble à ce jour des échantillons de plus de 160 patients (Figure 2). Pour chaque patient nous récoltons différents types d’échantillons, comme le sérum, les selles, les tissus tumoraux ainsi que du tissu sain. Nous y associons également, de manière anonymisée, les paramètres cliniques (âge, sexe, MSI (instabilité des microsatellites), du système de réparation de l’ADN et entraîne un grand nombre de mutations, emplacement de la tumeur, survie, enquête sur le régime alimentaire, thérapies, etc.) qui permettront d’améliorer la pertinence clinique des résultats générés dans les différentes études utilisant cette collection. Afin d’étudier le microbiome dans notre cohorte, nous avons commencé par déterminer la composition microbienne de plus de 120 patients. Ces résultats nous permettent de mettre en évidence les communautés microbiennes trouvées chez les patients atteints du cancer colorectal dans notre pays (Figure 2). En effet, le microbiome est très variable et connaitre sa composition au sein de notre collection est un premier objectif important dans le cadre de notre projet. A présent, nous caractérisons les métabolites sécrétés par les communautés microbiennes identifiées.

Figure 2 : Composition microbienne dans notre collection luxembourgeoise du cancer colorectal. A. Description de notre collection d’échantillons de patients atteints d’un cancer colorectal. B. Données cliniques collectées et anonymisées pour la recherche. C. Graphe de survie sur 5 ans de notre collection. D. Collection et analyse de la composition microbienne des patients. E. Dysbiose représentée par l’apparition (marqué en rouge) d’espèces spécialement associées au cancer colorectal.

otre deuxième objectif, est d’étudier l’effet de différentes bactéries dans l’initiation et la progression du cancer colorectal. Notre collaborateur, le professeur Paul Wilmes à l’Université du Luxembourg, a développé un modèle microfluidique de co-culture de cellules humaines et de bactéries appelé HuMiX (pour Human Microbial Cross-talk). Cet « intestin sur puce » est une représentation unique qui imite l’intestin humain et permet d’étudier l’interaction entre les bactéries et les cellules humaines. En collaboration avec le groupe du Prof. Paul Wilmes, nous avons par le passé utilisé ce modèle pour caractériser les effets de régimes pré- et probiotiques dans le contexte du cancer colorectal 6. Nous allons à présent utiliser ce modèle afin de comprendre l’interaction entre les cellules intestinales et les bactéries que nous avons retrouvées chez les patients (O1). Etant donné que le modèle permet de déterminer les molécules sécrétées (métabolites) par les bactéries quand celles-ci sont en présence de cellules intestinales, nous essayons de comprendre le mécanisme impliqué dans la pathologie afin d’identifier des molécules qui pourraient être ciblées. La caractérisation des métabolites est faite en collaboration avec le groupe « Enzymology and Metabolism » dirigé par le Dr Carole Linster à l’Université du Luxembourg. Dans le cadre de ce projet, nous utilisons des cellules intestinales ou des organoïdes (aussi appelés mini côlons) des patients. Ceux-ci sont générés dans notre laboratoire à partir des biopsies de patients. Ces modèles représentent ainsi des modèles « personnalisés » et permettent à la fois de comprendre les effets des bactéries dans le cancer du côlon en général mais également pour chaque patient individuellement.

Bien que les traitements basés sur la modulation du microbiome (par exemple à travers les facteurs alimentaires) soient très prometteurs, ils ne sont pas encore formellement mis en œuvre dans les plans de traitement du cancer. De ce fait, notre troisième objectif est de comprendre l’interaction entre les régimes alimentaires et le microbiome ainsi que la conséquence de cette interaction sur le développement et la progression du cancer colorectal. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons également le modèle HuMiX en y introduisant différents régimes alimentaires, tels qu’un régime avec différentes concentrations de fibres ou un régime riche en graisses et faible en glucides (ketogenic diet). Par ailleurs, nous utilisons un modèle de souris « humanisée » du cancer colorectal, dans lequel un microbiote humain est introduit par transplantation microbienne fécale dans des souris dépourvues de microbiote (germ-free). Ces souris seront soumises aux différents régimes alimentaires décrits par avant et nous allons évaluer leur effet sur la progression de la maladie. En analysant la composition microbienne de ces souris, nous souhaitons identifier des espèces de bactéries qui favorisent la progression de la maladie ou celles qui au contraire l’inhibent. Par ce biais, nous allons déterminer de potentielles nouvelles thérapies basées sur le microbiote 

En collaboration avec le groupe de  Systems Biology  à l’Université, toutes ces données sont intégrées dans des modèles. Grâce aux données des patients obtenus dans notre objectif 1 (O1) ainsi que les données obtenues dans O2 et O3, nous pouvons maintenant créer des modèles uniques à chaque patient et co-cultiver in silico (donc par le biais des ordinateurs) la flore microbienne d’un patient avec ces cellules intestinales. De telles simulations vont nous aider à tester des hypothèses sur la façon dont les communautés bactériennes modulent la progression de la maladie. De plus, nous pouvons également perturber ce système pour imiter des régimes alimentaires ou les thérapies conventionnelles du cancer colorectal. Cette connaissance pourra alors nous aider à définir le meilleur régime alimentaire pour un patient ou de comprendre comment le microbiome peut influencer l’efficacité d’une thérapie. Finalement, en collaboration avec le Dr Thorsten Cramer de la RWTH (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen) en Allemagne, nous allons suivre des patients sous différents régimes alimentaires afin de valider nos résultats.