L’hétérogénéité intratumorale est une notion familière au pathologiste. Sous le microscope, les cellules cancéreuses au sein d’une même tumeur se caractérisent souvent par une diversité morphologique et une variabilité d’expression de marqueurs moléculaires [ 1]. La question que posent ces observations est : cette hétérogénéité reflète-t-elle la capacité des cellules malignes à s’engager partiellement dans un processus de différenciation, ou traduit-elle la présence de sous-populations différant par leurs altérations génétiques et épigénétiques ? Plusieurs études récentes ont abordé ce problème et, grâce aux progrès de la génomique, en particulier des nouvelles techniques de « séquençage parallèle en masse », l’existence d’une hétérogénéité génétique intratumorale a pu être mise en évidence dans tous les cas où ces analyses ont été réalisées [1]. Il existe donc bien un certain degré de mosaïcisme tumoral, aussi bien dans les tumeurs solides que dans les hémopathies malignes [1]. Deux types d’explications ont été proposées, qui ne sont d’ailleurs pas incompatibles, afin de rendre compte de ce phénomène d’hétérogénéité intrinsèque à la tumeur.

• L’une se réfère au mode darwinien de développement d’un cancer tel qu’il a été explicitement formulé par Peter Nowell en 1976 [ 2]. Selon ce modèle étiologique, une néoplasie a pour origine une cellule unique qui est la cible de mutations qui l’affranchissent des mécanismes physiologiques limitant sa prolifération. Ainsi, la succession de mutations conférant un avantage sélectif suivie de périodes d’expansion clonale, aboutit à la formation d’une tumeur maligne [2]. Dans ce cadre théorique, la masse tumorale peut alors être conçue comme un ensemble dynamique de plusieurs populations de cellules en voie de transformation ou déjà transformées, dont une population numériquement majoritaire correspondant à celle en phase de dominance clonale. Chacune de ces populations, y compris les métastases, représente une des différentes étapes de la formation d’un cancer et il existe un lien phylogénétique entre elles puisque les cellules qui les composent ont en commun les mêmes mutations causales. Ces mutations qui contribuent au développement néoplasique sont appelées drivers pour les différencier des mutations dites passengers qui sont générées au cours de la progression tumorale, mais dont la présence ne confère pas d’avantage sélectif [ 3].
• L’autre explication qui a été avancée afin de rendre compte de cette diversité intratumorale présuppose l’implication des cellules souches cancéreuses dont la capacité à donner naissance à différents types cellulaires contribuerait à l’hétérogénéité phénotypique d’une même tumeur [ 4]. Pour autant, ce dernier modèle ne permet pas de comprendre la dynamique évolutive à l’origine de sous-populations de cellules malignes différant par leur génotype.

Le scénario darwinien de cancérogenèse [2] décrit précédemment est étayé par de nombreuses données expérimentales. Cependant, même s’il a une valeur heuristique certaine, il est une simplification de la situation clinique. Nous avons déjà eu l’occasion de relater dans ces colonnes des résultats récents qui mettent à mal l’idée d’une chronologie d’apparition des mutations s’échelonnant de manière cumulative sur plusieurs années, voire décennies [ 5]. Dans ce contexte, un article publié cette année dans le New England Journal of Medicine [ 6] vient enrichir notre compréhension des mécanismes oncogéniques et illustre combien nos schémas explicatifs méritent d’être affinés. De plus, comme nous le discutons dans cette revue, les résultats de cette étude posent des questions importantes d’ordre médical.

L’objectif de l’équipe de Charles Swanton (London Research Institute, Cancer Research UK, Londres, Royaume-Uni) était de tester si une seule biopsie était suffisante pour identifier les altérations génétiques caractérisant une tumeur [6]. Dans ce but, quatre patients ont été enrôlés dans cette étude, chacun atteint de carcinome à cellules claires du rein ayant métastasé. Des échantillons ont été prélevés à partir de différentes régions de ces tumeurs obtenues après néphrectomie et aussi à partir des métastases. Pour le premier malade, des biopsies ont été collectées avant le traitement néoadjuvant de six semaines par l’évérolimus, un inhibiteur de la protéine kinase mTOR (target of rapamycine), qui a précédé l’exérèse rénale. Dans le cas de ce patient, neuf échantillons ont été prélevés sur la tumeur primitive et trois à partir de métastases localisées autour du rein et dans la paroi thoracique. À partir de ce matériel, auquel a été ajouté l’ADN germinal du patient, les auteurs de ce travail ont procédé à un séquençage de l’exome entier ainsi qu’à une analyse de la ploïdie, des aberrations chromosomiques et du transcriptome.

Les enseignements de cette étude sont clairs. Parmi les mutations détectées, la même délétion de deux paires de bases affectant le gène suppresseur de tumeur von Hippel-Lindau (VHL)¹ a été mise en évidence dans chacune des biopsies. Des mutations de ce gène sont fréquemment associées aux carcinomes à cellules claires. Ces données indiquent donc que cette mutation s’est produite précocement au cours du développement tumoral et constitue probablement un événement clef du processus tumoral. Des mutations récurrentes des gènes SETD2 (SET domain containing 2, une histone méthyltransférase), KDM5C (lysine [K]-specific demethylase 5C) et PTEN (phosphatase and tensin homolog) ont aussi été identifiées, mais la nature des mutations variait en fonction des échantillons. Ainsi, trois mutations distinctes de SETD2 ont été mises en évidence dans différentes régions de la tumeur. Ces observations suggèrent que l’altération des mécanismes biologiques contrôlés par le produit de ces gènes, remodelage de la chromatine pour la méthyltransférase SETD2 et la déméthylase KDM5C et inhibition de la voie PI3 kinase pour la phosphatase PTEN, est requise dans le processus d’évolution tumorale. On a donc affaire, dans ce cas, à un exemple éclairant de convergence évolutive. Par ailleurs, sur les 128 mutations détectées dans l’ensemble des échantillons de la tumeur, 66 à 69 % ne sont pas retrouvées si l’analyse ne porte que sur un seul échantillon. Cet article montre également que le profil mutationnel des métastases est plus proche de celui d’une des sous-populations de la tumeur, et que le traitement par l’évérolimus n’a pas d’incidence sur la fréquence des mutations malgré l’identification d’une même mutation activatrice de mTOR dans plusieurs échantillons. En outre, la signature transcriptionnelle des échantillons diffère en fonction de la localisation de ces derniers, et peut être soit de bon, soit de mauvais pronostic conformément aux classifications établies par les études antérieures réalisées chez des patients atteints de cancer du rein. Ces résultats, obtenus par l’analyse des spécimens biologiques provenant d’un seul patient, ont été confirmés dans les trois autres cas étudiés. Finalement, l’utilisation d’algorithmes reconstruisant les relations phylogéniques entre ces différentes populations, a permis aux auteurs britanniques de déterminer que le modèle de progression tumorale n’est pas une relation linéaire avec une même cellule accumulant successivement des mutations oncogéniques. Ce travail montre, au contraire, que la formation de ces cancers rénaux est compatible avec un processus de branchement évolutif générant différentes populations de cellules malignes occupant des régions distinctes de la même tumeur, dont une est à l’origine des métastases.

Les conclusions de cette étude sont donc sans ambiguïté. Premièrement, le prélèvement d’une seule biopsie ne permet d’identifier qu’une fraction des mutations mises en évidence par l’analyse de l’ensemble de la tumeur. Deuxièmement, une classification pronostique d’un cancer qui serait basée sur le profil transcriptionnel défini à partir d’un seul échantillon peut être biaisée et conduire à des prédictions erronées. Troisièmement, il existe, dans chacune des sous-populations tumorales, un tronc commun de voies de signalisation altérées : la voie de l’hypoxie impliquant VHL, la voie PI3 kinase et celles qui contrôlent la dynamique des mécanismes épigénétiques avec SETD2 et KDM5C. Bien sûr, ces données ne sont pas, en l’état, extrapolables à d’autres types de cancers et de futures recherches seront nécessaires pour les confirmer. Cependant, au vu de la généralité du phénomène d’hétérogénéité intratumorale, il est très probable que la situation décrite dans cet article sera la règle plus que l’exception.

L’idée qu’il existe une hétérogénéité spatiale de la tumeur n’est pas nouvelle. D’une part, les interactions des cellules cancéreuses avec leur microenvironnement ne sont pas uniformes dans la tumeur, et les propriétés de la trame conjonctivo-vasculaire qui constitue le stroma cancéreux ainsi que le remodelage de la matrice extracellulaire varient en fonction des régions de la tumeur [1]. D’autre part, certaines zones d’un cancer sont moins bien oxygénées que d’autres et cette hypoxie locale conduit, entre autres, à une modification du métabolisme énergétique et conditionne la résistance thérapeutique [ 7]. Mais la démonstration qu’au sein de la même tumeur primitive coexistent des populations de cellules cancéreuses avec des parcours évolutifs différents n’était pas envisageable avant l’avènement de la nouvelle génération des techniques de séquençage. Le travail de l’équipe de Charles Swanton a donc le mérite d’établir formellement qu’une tumeur n’est pas une masse isotrope et qu’il existe un processus continu de mutations et de sélections donnant naissance à des populations génétiquement distinctes, chacune avec sa propre distribution topographique. Les sous-populations de cellules tumorales ne sont d’ailleurs pas forcément dans des relations de compétition aboutissant à la sélection du clone le mieux adapté à son microenvironnement et qui prendrait l’ascendant sur les autres populations de cellules malignes. Il peut exister un niveau de coopération mutuelle, ainsi que cela a été montré récemment entre cellules cancéreuses d’une même tumeur soumises ou non à des conditions hypoxiques [ 8]. À ce point de notre revue, il n’est peut être pas inutile d’insister sur le fait que ces considérations concernant l’hétérogénéité intrinsèque aux tumeurs ne sont pas uniquement théoriques. En effet, on sait qu’il existe un lien avéré entre la diversité clonale des lésions prénéoplasiques œsophagiennes et le risque de formation d’une tumeur invasive [ 9]. En outre, plus une tumeur mammaire est hétérogène, plus le pronostic est péjoratif [ 10]. Enfin, l’hétérogénéité intratumorale crée le réservoir de cellules à l’origine des phénomènes de chimiorésistance [1].

Si en oncologie, la médecine personnalisée consiste à prescrire un traitement en tenant compte des caractéristiques moléculaires de la tumeur de chaque malade, alors l’article de l’équipe anglaise a des implications évidentes. En effet, définir le profil mutationnel et transcriptionnel d’un cancer en se basant sur l’analyse d’une seule biopsie revient à s’exposer au risque de proposer une chimiothérapie ciblée qui ne serait efficace que sur une sous-population de la tumeur. De même, établir un pronostic en s’appuyant sur des données génomiques partielles pourrait conduire à des conclusions fausses. On le voit, ce travail devrait avoir des retombées concrètes dans l’établissement des protocoles d’exploration génomique en cancérologie qui devrait, dans la mesure du possible, comporter l’analyse de plusieurs biopsies. Pour autant, même si la réalité de l’hétérogénéité géographique de la tumeur représente un défi à la médecine individualisée dont il faut prendre la mesure, elle ne constitue pas un handicap insurmontable. Cette étude apporte la preuve que la perturbation d’un petit nombre de voies de signalisation est commune aux différentes sous-populations tumorales (voies de signalisation VHL et PI3 kinase, altérations de l’épigénome via les mutations de SETD2 et KD5MC) ; elle confirme les connaissances déjà acquises dans le cancer du rein et indique la direction à suivre. En effet, ces voies dérégulées sont probablement le talon d’Achille de la tumeur qu’il s’agit de cibler de manière prioritaire. On peut même imaginer qu’à terme, notre connaissance des mécanismes moléculaires responsables de la dynamique évolutive des différents types de tumeur et des phénomènes de chimiorésistance sera tellement fine qu’elle permettra de proposer des traitements spécifiques pour un cancer donné sans se préoccuper des singularités de chaque cas. Après tout, la médecine personnalisée n’est peut-être que le stade transitoire vers une nouvelle cancérologie générale fondée sur les acquis de la génomique ?

En conclusion, à la suite de ce travail et d’autres publiés récemment dans la littérature [ 11, 12], on peut considérer une tumeur comme un écosystème constitué de plusieurs sous-populations de cellules malignes avec leur architecture génétique spécifique et évoluant dans des niches géographiques distinctes tout en entretenant des relations complexes de compétition et de mutualisme. Le cancer est donc bien ce microcosme darwinien dont il s’agit de mieux comprendre les règles de fonctionnement afin d’améliorer l’efficacité thérapeutique.

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Je remercie Corinne Albiges-Rizo, Laurence Lafanechère, Maïlys Le Borgne, Sylvie Mazoyer, Caroline Reynaud, Nicolas Chartier et Jean-Pierre Rouault pour leur relecture critique.