Cellule tumorale circulante

Les cellules tumorales circulantes sont les cellules excrétées par les tumeurs dans la circulation sanguine. Après leur libération par les tumeurs, la plupart des cellules tumorales circulantes meurent dans la circulation (en environ 1 à 2,5 heures) en raison de forces mécaniques ou d'une attaque du système immunitaire^[5]. Cependant, une petite fraction des cellules tumorales circulantes survivent et provoquent des maladies métastatiques à distance.

La technologie permet désormais la détection des cellules tumorales circulantes et leur interrogation aux niveaux moléculaire et fonctionnelles^[6]. Les méthodes émergentes d’enrichissement, d’isolement et d’analyse cellulaire ont permis une meilleure compréhension de la biologie du cancer tumoral^[6]. Le profilage moléculaire des cellules à l'aide du séquençage de nouvelle génération permet une analyse complète des altérations génomiques des cellules tumorales circulantes^[7]. De plus, les caractéristiques phénotypiques et fonctionnelles des cellules peuvent fournir des informations sur les types de traitements que les patients devraient recevoir, et le dénombrement et la caractérisation des cellules tumorales circulantes peuvent également être importants pour déterminer le pronostic^[8].

Le patient moyen atteint d’un cancer métastatique présente entre 5 et 50 cellules tumorales circulantes pour environ 7,5 ml de sang^[9]. Par conséquent, les cellules tumorales circulantes apparaissent à des niveaux extrêmement faibles dans la circulation et sont masqués par des milliards de cellules du sang périphérique. Ce petit nombre limite l’utilité des cellules tumorales circulantes. Néanmoins, les cellules tumorales circulantes fournissent des informations fiables, et leur dénombrement revêt également une importance clinique. En effet, de nombreuses études ont rapporté que la détection des cellules tumorales circulantes sous forme de « biopsie liquide » peut être utilisée comme marqueur pour prédire la rechute, la progression et la survie du cancer^[10],[11].

Les cellules tumorales circulantes détiennent des clés pour comprendre les métastases^[10]. Des nombres élevés de cellules tumorales circulantes sont en corrélation avec une charge tumorale élevée, une maladie agressive et un délai de rechute plus court. Les cellules tumorales circulantes démontrent également un potentiel important dans la gestion thérapeutique, depuis la simple énumération des cellules tumorales circulantes pour l’évaluation de l’efficacité du traitement jusqu’à l’analyse moléculaire pour le choix des thérapies ciblées, et la culture des cellules tumorales circulantes éclaire les mécanismes de résistance^[12]. De plus, en exploitant des plateformes moléculaires ultrasensibles, les cellules tumorales circulantes pourraient augmenter considérablement la capacité de diagnostiquer un cancer à un stade précoce. Enfin, la caractérisation moléculaire complète des cellules tumorales circulantes à l’aide de technologies avancées amplifie notre compréhension de la biologie du cancer^[12].

Comparés à d'autres formes de biopsie liquide, telles que l'ADN/ARN tumoral circulant et les vésicules extracellulaires dérivées de cellules tumorales vivantes, les cellules tumorales circulantes sont des cellules entières possédant des informations morphologiques uniques et présentent des avantages distincts pour évaluer la génomique, la transcriptomique et la signalisation protéomique. . Dans l'ensemble, l'enrichissement des cellules tumorales circulantes du sang périphérique en tant que substitut non invasif à la biopsie tissulaire conventionnelle permet d'interroger en série et en temps réel l'évolution dynamique des néoplasmes, est prometteur pour faire progresser la médecine anticancéreuse de précision et permet la recherche fondamentale sur la biologie des tumeurs malignes^[11].

Plusieurs marqueurs moléculaires sont utilisés pour détecter les cellules tumorales circulantes dans divers cancers. La plupart des cancers étant d’origine épithéliale, le marqueur le plus couramment utilisé pour les cellules tumorales circulantes est la molécule d’adhésion des cellules épithéliales (EpCAM ou CD326), un marqueur épithélial « universel » des cancers^[13]. L'expression de cette molécule varie selon les différents types de cancer^[14], et les technologies de détection des cellules tumorales circulantes basées sur la molécule d’adhésion des cellules épithéliales sont largement appliquées aux cancers qui expriment fortement cette molécule, tels que le cancer du sein et de la prostate. De nombreuses études ont montré que les cellules tumorales circulantes dans les cancers du sein et de la prostate sont EpCAM-positifs et ont validé leur valeur pronostique dans les cas de stade précoce ou métastatique^[15],[16]. D’autres types de cancers d’origine épithéliale, tels que les cancers pancréatiques^[17], colorectaux^[18] et hépatocellulaires^[19], présentent également un taux de détection considérable de cellules tumorales circulantes positifs pour EpCAM. La présence de ces cellules tumorales circulantes EpCAM-positifs prédit des métastases précoces à distance et une survie plus faible des patients^{[18],[19],[20]}. Cependant, l’utilisation d’EpCAM comme marqueur des cellules tumorales circulantes présente des limites. Il ne peut pas être utilisé dans les tumeurs EpCAM négatives ou à faible expression, telles que les cancers neurogènes. Les cellules tumorales circulantes peuvent subir une transition epithélio-mésenchymateuse et les marqueurs épithéliaux, y compris EpCAM, sont régulés négativement pendant cette transition, ce qui affecte le taux de détection des cellules tumorales circulantes positives pour EpCAM. Bien qu'il existe des doutes quant à la pertinence des technologies basées sur EpCAM pour détecter toutes les cellules tumorales circulantes, de nombreuses études ont illustré la valeur potentielle des cellules tumorales circulantes positives à EpCAM dans les applications cliniques^[21]. Dans une certaine mesure, les cellules tumorales circulantes EpCAM-positifs constituent un sous-groupe important de tous les cellules tumorales circulantes , donc les cellules tumorales circulantes EpCAM-positifs pourraient toujours être un biomarqueur fiable si le pronostic du cancer et l'efficacité thérapeutique sont pertinents pour les CTC EpCAM-positifs.

Lors de la transition epithélio-mésenchymateuse des cellules cancéreuses présente des altérations moléculaires, notamment une diminution de l'expression des marqueurs épithéliaux (E-cadhérine, ZO-1, claudines et occludines) et une expression accrue des marqueurs mésenchymateux (vimentine, N-cadhérine, protéine spécifique des fibroblastes et fibronectine)^[22]. La transition epithélio-mésenchymateuse est exécuté par des facteurs de transcription appartenant principalement aux familles SNAIL, TWIST et ZEB34. Toutes ces molécules liées à la transition epithélio-mésenchymateuse peuvent théoriquement être utilisées pour les méthodes de ciblage des EMT-CTC. Cependant, de nombreuses molécules liées à la transition epithélio-mésenchymateuse sont des protéines cytoplasmiques ou nucléaires, ce qui exclut leur utilisation dans les technologies de détection des cellules tumorales circulantes basées sur les molécules membranaires actuellement disponibles. Des protéines telles que la E-cadhérine, la vimentine étaient utilisées dans le passé en raison de leur accessibilité à la détection dans les technologies de détection des traditionnelles, notamment le tri par cytométrie en flux, l'immunocoloration et l'Hybridation in situ en fluorescence^[23].

L'instabilité génomique contribue à l'évolution des tumeurs et à l'émergence de sous-clones tumoraux résistants. La surveillance de l’instabilité génomique tumorale, notamment en termes de résistance tumorale et de métastases, contribue grandement à l’évaluation de la réponse au traitement et à la médecine de précision. L'évaluation des cellules tumorales circulantes par biopsie liquide non invasive est accessible pour un échantillonnage en série afin de détecter l'instabilité génomique de la tumeur.

La détermination du statut des mutations des gènes EGFR et KRAS est cruciale pour guider le traitement des patients atteints de cancer bronchique non à petites cellules recevant des inhibiteurs de la tyrosine kinase de l'EGFR et des patients atteints d'un cancer colorectal traités respectivement par un traitement anti-EGFR. La concordance des mutations entre les cellules tumorales circulantes et les tissus tumoraux primaires ou métastatiques a attiré beaucoup d'attention. En utilisant une technique microfluidique pour capturer les cellules tumorales circulantes, une étude a découvert que seuls deux des 31 patients présentant des mutations avaient échappé lors de leur test de détection^[24]. Ils ont identifié la mutation activatrice de l'EGFR dans les cellules tumorales circulantes chez 92 % des patients métastatiques atteints de cancer bronchique non à petites cellules et ont détecté la mutation résistante aux médicaments T790M dans les cancer bronchiques non à petites cellules de 33 % des patients ayant répondu au traitement par inhibiteur de la tyrosine kinase et chez 64 % résistants aux traitements^[24]. Pour l'analyse de la mutation du gène KRAS, le taux de concordance mutationnelle entre les cancers bronchiques non à petites cellules et les tumeurs primaires appariées variait de 37 % à 90 % dans les cas de cancer colorectal^{[25],[26],[27],[28]}.

La mesure des caractéristiques mécaniques des CTC de tous les cancers est corrélée au pronostic de la maladie cancéreuse, selon les lois de l'oncologie physique^[29].

Peut-être plus que d’autres tests diagnostiques traditionnels du cancer, l’isolement des cellules tumorales circulantes repose sur des processus techniques complexes et sur diverses méthodes permettant de les distinguer des cellules sanguines environnantes. Au cœur de cette complexité se trouve le niveau exceptionnel de purification nécessaire pour isoler les cellules tumorales circulante des globules blancs phénotypiquement similaires^[30]. Le degré d’enrichissement cellulaire requis dépend des analyses prévues. La digital droplet PCR , ou PCR digitale en gouttelettes ou l’imagerie basée sur l’immunomarquage est compatible avec des niveaux modérés d’enrichissement de l’ordre de 10³ à 10⁴. Tandis les analyses unicellulaires nécessitent souvent un enrichissement supérieur à 10⁸^[31],[32]. Ainsi, la stratégie d’enrichissement idéale des cellules tumorales circulantes doit être alignée sur l’application analytique prévue.

Il existe donc deux principales classes de stratégies d’enrichissement : des méthodes permettant jusqu’à un enrichissement de l’ordre de 10⁴ des cellules tumorales circulantes et des approches d’isolement unicellulaire qui augmentent encore la pureté cumulative jusqu’à 10⁸ pour des applications en aval plus exigeantes.

La technologie d’analyse des cellules tumorales circulantes probablement la méthode la moins biaisée. Elle implique d’abord la lyse des hématies, suivie du dépôt de toutes les cellules sanguines restantes sur plusieurs grandes lames qui sont ensuite colorées pour détecter la présence de marqueurs épithéliaux^[33],[34]. Des logiciels analytiques basés sur l’intelligence artificielle sont ensuite utilisés pour scanner plusieurs millions de cellules afin d’identifier celles présentant des caractéristiques de cellule tumorale circulante.

L’un des avantages de cette technologie est qu’elle contourne la nécessité d’un enrichissement cellulaire initial^[35]. Toutefois, elle présente des limites en termes d’évolutivité et de difficulté à utiliser des outils moléculaires autres que l’imagerie pour analyser les cellules tumorales circulantes entourées d’un très grand nombre de cellules hématopoïétiques.

La coloration de fond constitue un défi majeur dans les analyses de cellules sanguines non purifiées, en particulier lorsque les cellules tumorales circulantes sont présentes à de faibles fréquences (Moins de 5 cellules tumorales circulante pour 10 mL de sang). C’est pourquoi cette approche nécessite un enrichissement préalable des cellules tumorales circulantes potentielles avant l’analyse par imagerie.

Les cellules tumorales circulantes sont généralement plus grandes que la plupart des cellules hématopoïétiques, ce qui peut être exploité grâce à des technologies d’enrichissement par microfiltration^[36] et par séparation microfluidique basée sur la taille^[37],[38]. D’autres approches se sont concentrées sur une capacitance membranaire plus élevée et une conductivité cytoplasmique plus faible comparées à celles des leucocytes^[39], ainsi que sur les propriétés diélectriques^[40], la déformabilité^[41], ou la densité^[42].

La taille des cellules tumorales circulantes chevauche largement celle des autres leucocytes^[43]. Ainsi, une sélection basée uniquement sur la taille peut entraîner une perte substantielle de cellule tumorale circulante et conduire à de faibles taux d’enrichissement dans les cancers où la taille des cellules tumorales circulantes n’est pas suffisamment distincte de celle des leucocytes.

L’immunosélection est l’une des méthodes les plus largement utilisées pour isoler les cellules tumorales circulantes. Elle repose sur deux approches courantes : la sélection positive utilisant des marqueurs membranaires présents sur les cellules tumorales circulantes, ou la sélection négative visant à éliminer les leucocytes.

Pour la sélection positive, la glycoprotéine transmembranaire épithéliale (Epithelial cell adhesion molecule EpCAM), largement exprimée, a été largement utilisée^[44]. Cependant, l’efficacité de la sélection positive est actuellement limitée par des pertes relativement importantes de cellules cibles lors des étapes de lavage et de centrifugation nécessaires à la purification par lot pour obtenir un enrichissement magnétique^[45],[46].

Toutefois, la capture basée sur la glycoprotéine transmembranaire épithéliale présente l’inconvénient de dépendre d’un marqueur épithélial absent dans certains cancers et susceptible d’être perdu lorsque les cellules subissent une transition épithélio-mésenchymateuse^[47]. Des approches alternatives pour l’immunocapture positive ont utilisé des marqueurs membranaires spécifiques d’une lignée cellulaire ou des épitopes cancéreux communs, notamment le récepteur de l’acide folique^[48], l' antigène membranaire spécifique de la prostate (pas de rapport avec le PSA)^[49] , les protéines de la famille du récepteur du facteur de croissance épidermique^[50], ou d’autres marqueurs membranaires spécifiques d’une tumeur ou d’une lignée.

Néanmoins, ces stratégies conservent le biais inhérent lié au fait de devoir pré-identifier un marqueur tumoral d’intérêt.

L'utilité d'un test diagnostique est étroitement liée à son impact sur les interventions thérapeutiques. Ainsi, le développement des analyses basées sur les cellules tumorales circulantes et des nouvelles thérapies anticancéreuses détermine leur utilité en pratique clinique. Alors que le séquençage basé sur l’ADN tumoral circulant joue désormais un rôle essentiel dans les thérapies ciblées fondées sur les mutations, l'analyse des cellules tumorales circulantes pourraient jouer le même rôle dans le domaine en rapide évolution des thérapies immunologiques basées sur les anticorps et les lymphocytes T^[51],[52].

L’étude des modifications de l’expression génique via l’ARN et les protéines, des altérations de la chromatine ou des propriétés fonctionnelles des cellules tumorales pourrait jouer un rôle croissant dans le diagnostic du cancer, et l’utilisation des cellules tumorales circulantes pourrait même un jour permettre d’éviter la nécessité de biopsies tumorales invasives.

Un nombre élevé de cellule tumorale circulante est généralement associé à des issues cliniques défavorables, comme l’ont montré les premières études quantifiant ces cellules dans le sang de patients atteints de cancer métastatique^[53],[54].

• Le comptage de plus de 5 cellules tumorales circulantes pour 7,5 mL chez des patientes atteintes de cancer du sein métastatique traitées par thérapie systémique a démontré un pouvoir pronostique indépendant pour une survie sans progression et une survie globale plus faibles^{[55],[56],[57]}.
• Les seuils de mauvaise survie sont plus de 3 cellules tumorales circulantes / 7,5 mL dans le cancer colo-rectal et le carcinome rénal^[58],[59].
• Les seuils de mauvaise survie sont plus de 50 cellules tumorales circulantes / 7,5 mL dans le cancer du poumon à petites cellules^[60].

Le suivi des variations des cellules tumorales circulantes dans le temps améliore encore la valeur pronostique :

• des cellules tumorales circulantes persistants ou en augmentation anticipent souvent une résistance au traitement,
• des cellules tumorales circulantes en diminution suggèrent une réponse précoce au traitement^[57],[61].
• Les cellules tumorales circulantes peuvent même stratifier les phénotypes du cancer du sein en formes moins agressives ou plus agressives, offrant une classification plus fine que les indices clinicopathologiques traditionnels^[62].

Mais plusieurs essais n'ont montré aucun bénéfice à changer de chimiothérapie simplement en réponse à des cellules tumorales circulantes élevés persistants, en l’absence de vulnérabilités moléculaires associées^[63],[64]. Bien que la FDA a approuvé la numération des cellules tumorales circulantes comme marqueur pronostique dans la prise en charge des cancers métastatiques, celle-ci n'est pas adopté dans les protocoles cancérologiques. Par contre les analyses moléculaires pratiquées sur les cellules tumorales circulantes ont montré leur intérêt en révélant des mutations responsables de résistance aux traitements ciblés^{[65],[66],[67]}.

Par rapport à d’autres biopsies liquides, l'étude des cellules tumorales circulantes sont particulièrement adaptées pour les thérapies immunologiques ciblant des protéines membranaires.Une biopsie tissulaire invasive prélève une seule métastase (souvent accessible), qui peut ne pas représenter l’ensemble du fardeau tumoral. Les cellules tumorales circulantes, reflétant l’ensemble des dépôts tumoraux, offrent une vision globale et non invasive de l’hétérogénéité de la cible.

Bien que rares, les cellules tumorales circulantes pourraient fournir des informations cruciales sur le développement précoce des métastases, compte tenu des limites actuelles d’imagerie pour détecter de très petites lésions métastatiques^[68]. Cela est particulièrement pertinent pour les maladies précoces à haut risque et l’évaluation de la maladie résiduelle après chirurgie à visée curative.

Des cellules tumorales circulantes ont en effet été détectées dans le sang de patients atteints de cancers localisés précoces, aussi bien avant l’opération qu’après l’exérèse de la tumeur primaire^{[69],[70],[71],[72]}. Dans le cancer du sein de stade I–III, environ 20 % des patientes présentent des cellules tumorales circulantes détectables et leur présence est associée à un risque accru de récidive, une survie globale diminuée^{[73],[74],[75]}.

Ces observations soulèvent deux questions essentielles : Ces cellules tumorales circulantes représentent-elles des cellules tumorales viables capables de former des métastases ? Une intervention thérapeutique où des cellules tumorales circulantes sont détectées sans signe radiologique de maladie pourrait-elle changer l’histoire naturelle de la maladie et prévenir la récidive ou l’apparition de métastases ? Ces questions prennent de l’importance dans un contexte où de plus en plus de traitements systémiques sont administrés autour de la chirurgie (néoadjuvant/adjuvant), offrant une opportunité d’interventions curatives nécessitant une approche adaptée au risque, afin de maximiser le bénéfice tout en limitant la toxicité.

Dans l’essai SUCCESS de phase III, la présence de cellules tumorales circulantes avant l’initiation de la chimiothérapie adjuvante, et après celle-ci, était associée à une survie sans maladie et une survie globale significativement diminuées. Environ 18 % des patientes présentaient encore des ellules tumorales circulantes deux ans après traitement, soulevant des questions sur : la nécessité d’une surveillance plus intensive, ou l’opportunité d’un traitement additionnel avant l’apparition visible de la maladie métastatique^[75].

Un nombre croissant d’essais cliniques utilise l'ADN circulant tumoral pour mesurer la maladie résiduelle minimale après chirurgie pout initier un traitement de façon précoce, lorsque la charge tumorale est faible et la guérison encore possible. Mais l'ADN circulant tumoral ne permet pas d'orienter vers le meilleur traitement. La combinaison de la mesure de la maladie résiduelle par l'ADN circulant tumoral associée à l'analyse génétiques des cellules tumorales circulantenécessite de futures recherches^[76].

L’étude allemande SURVIVE, démarrée en 2024, sera le premier grand essai randomisé évaluant si la biopsie liquide — incluant les cellules tumorales circulantes — apporte un bénéfice de survie en guidant la surveillance du cancer du sein précoce et en déclenchant des évaluations de restadification^[77]. Cet essai devrait fournir des données déterminantes pour savoir si des interventions précoces en cas de maladie résiduelle minimale, ou en cas de cancer oligométastatique, peuvent réellement améliorer la survie à long terme.

La complexité de l’isolement des cellules tumorales circulantes et de leur analyse génétique, empêche pour l’instant leur utilisation comme test de screening primaire dans la population générale. Des tentatives préliminaires ont toutefois été réalisées :

• dépistage de cellules tumorales circulantes chez des personnes à haut risque de cancer du poumon^[78],
• dépistage dans le cancer du sein^[79],[80],
• dépistage dans le cancer de la prostate^[81].