Rôle du microenvironnement dans le maintien et la résistance des cellules souches leucémiques de la Leucémie Myéloïde Chronique. voie BMP et contraintes mécaniques

One of the main causes of treatment failure in cancers is the development of drug resistance by cancer cells. The persistence of cancer stem cells (CSCs) might explain cancer relapses as they could allow reactivation of cancer cells proliferation following therapy, leading to disease persistence and ultimately to patients’ death. Clinically, it is crucial to develop therapeutic strategies able to target resistant CSCs in order to cure the patients. CSCs are controlled by a variety of biochemical and biomechanical signals from the leukemic niche. My project aims to determine the involvement of the tumor microenvironment (BMP signaling pathway and mechanical stress) in the maintenance and resistance of Leukemic Stem Cells (LSCs) in Chronic Myelogenous Leukemia (CML). For this, we combined functional and molecular assays to the analysis of tumor microenvironment on more than 200 CML patients’ samples. We demonstrated that alterations of intracellular BMP signaling pathway in CP-CML primary samples corrupt and amplify the response to exogenous BMP2 and BMP4, which are abnormally abundant in the tumor microenvironment. These results, recently published in Blood led us to evaluate the role of the BMP pathway in LSC maintenance under TKI treatment. Atomic force microscopy allowed us to demonstrate that BCR-ABL expression alone is sufficient to increases the rigidity of immature CML cells compared to healthy ones. Finally, using a unique cell confining system, we were able to demonstrate that mechanical stress controls the proliferation of immature leukemic cells by regulating the expression of mechano-sensitive genes such as Twist-1. These results could explain how LSCs can benefit from a mechanical stress exerted by their microenvironment to acquire a proliferative advantage over normal cells. Ultimately, we hope that this transdisciplinary approach will help to identify key molecules in the transduction of mechanical signals potentially involved in maintenance and resistance of CSCs and thus offer new targets to counter these effects.Une des principales causes d’échec dans le traitement des cancers est le développement de résistances aux drogues par les cellules tumorales. Les cellules souches cancéreuses (CSC) sont suspectées d’être responsables de ces rechutes, conduisant à la récurrence de la maladie et bien souvent au décès des patients. En clinique, il est donc nécessaire de développer des stratégies thérapeutiques capables de cibler ces CSC résistantes et aboutir à la guérison des patients. Les CSC sont régulées par un ensemble de signaux aussi bien biologiques que physiques au sein de la niche tumorale. Mon projet a pour objectif de déterminer l’implication du microenvironnement tumoral (voie de signalisation BMP et contraintes mécaniques) dans le maintien et la résistance des cellules souches leucémiques (CSLs) de la leucémie myéloïde chronique (LMC). Pour cela, nous avons combiné tests fonctionnels et moléculaires ainsi que l’analyse de la niche tumorale sur plus de 200 échantillons de patients atteints de LMC. Nous avons ainsi démontré que l’altération de la voie BMP intrinsèque aux cellules immatures de la LMC corrompt et amplifie la réponse à BMP2 et BMP4, présents en quantités anormalement abondantes au sein de la niche tumorale. Ces résultats récemment publiés dans Blood nous ont amenés à évaluer le rôle de la voie BMP dans le maintien des CSLs sous traitement par les ITK. La microscopie à force atomique nous a permis de démontrer que l’expression de BCR-ABL est suffisante pour induire une augmentation de la rigidité des cellules immatures de LMC par rapport à des cellules saines. Enfin, l’utilisation d’un système de confinement cellulaire nous a permis de démontrer que le stress mécanique contrôle la prolifération des cellules leucémiques immatures en régulant l’expression de gènes mécano-sensibles comme Twist-1. Ces résultats pourraient expliquer comment des CSLs tirent profit des contraintes mécaniques issues de leur microenvironnement afin d’acquérir un avantage prolifératif par rapport aux cellules saines. Ultimement, nous espérons que cette approche transdisciplinaire permettra d’identifier les molécules clés de la transduction de signaux mécaniques potentiellement impliqués dans le maintien et la résistance des CSC et ainsi proposer de nouvelles cibles pour contrer ces effets

Role of the microenvironment in maintenance and resistance of leukemic stem cells in Chronic Myelogenous Leukemia. BMP pathway and mechanical forces

Une des principales causes d’échec dans le traitement des cancers est le développement de résistances aux drogues par les cellules tumorales. Les cellules souches cancéreuses (CSC) sont suspectées d’être responsables de ces rechutes, conduisant à la récurrence de la maladie et bien souvent au décès des patients. En clinique, il est donc nécessaire de développer des stratégies thérapeutiques capables de cibler ces CSC résistantes et aboutir à la guérison des patients. Les CSC sont régulées par un ensemble de signaux aussi bien biologiques que physiques au sein de la niche tumorale. Mon projet a pour objectif de déterminer l’implication du microenvironnement tumoral (voie de signalisation BMP et contraintes mécaniques) dans le maintien et la résistance des cellules souches leucémiques (CSLs) de la leucémie myéloïde chronique (LMC). Pour cela, nous avons combiné tests fonctionnels et moléculaires ainsi que l’analyse de la niche tumorale sur plus de 200 échantillons de patients atteints de LMC. Nous avons ainsi démontré que l’altération de la voie BMP intrinsèque aux cellules immatures de la LMC corrompt et amplifie la réponse à BMP2 et BMP4, présents en quantités anormalement abondantes au sein de la niche tumorale. Ces résultats récemment publiés dans Blood nous ont amenés à évaluer le rôle de la voie BMP dans le maintien des CSLs sous traitement par les ITK. La microscopie à force atomique nous a permis de démontrer que l’expression de BCR-ABL est suffisante pour induire une augmentation de la rigidité des cellules immatures de LMC par rapport à des cellules saines. Enfin, l’utilisation d’un système de confinement cellulaire nous a permis de démontrer que le stress mécanique contrôle la prolifération des cellules leucémiques immatures en régulant l’expression de gènes mécano-sensibles comme Twist-1. Ces résultats pourraient expliquer comment des CSLs tirent profit des contraintes mécaniques issues de leur microenvironnement afin d’acquérir un avantage prolifératif par rapport aux cellules saines. Ultimement, nous espérons que cette approche transdisciplinaire permettra d’identifier les molécules clés de la transduction de signaux mécaniques potentiellement impliqués dans le maintien et la résistance des CSC et ainsi proposer de nouvelles cibles pour contrer ces effets.One of the main causes of treatment failure in cancers is the development of drug resistance by cancer cells. The persistence of cancer stem cells (CSCs) might explain cancer relapses as they could allow reactivation of cancer cells proliferation following therapy, leading to disease persistence and ultimately to patients’ death. Clinically, it is crucial to develop therapeutic strategies able to target resistant CSCs in order to cure the patients. CSCs are controlled by a variety of biochemical and biomechanical signals from the leukemic niche. My project aims to determine the involvement of the tumor microenvironment (BMP signaling pathway and mechanical stress) in the maintenance and resistance of Leukemic Stem Cells (LSCs) in Chronic Myelogenous Leukemia (CML). For this, we combined functional and molecular assays to the analysis of tumor microenvironment on more than 200 CML patients’ samples. We demonstrated that alterations of intracellular BMP signaling pathway in CP-CML primary samples corrupt and amplify the response to exogenous BMP2 and BMP4, which are abnormally abundant in the tumor microenvironment. These results, recently published in Blood led us to evaluate the role of the BMP pathway in LSC maintenance under TKI treatment. Atomic force microscopy allowed us to demonstrate that BCR-ABL expression alone is sufficient to increases the rigidity of immature CML cells compared to healthy ones. Finally, using a unique cell confining system, we were able to demonstrate that mechanical stress controls the proliferation of immature leukemic cells by regulating the expression of mechano-sensitive genes such as Twist-1. These results could explain how LSCs can benefit from a mechanical stress exerted by their microenvironment to acquire a proliferative advantage over normal cells. Ultimately, we hope that this transdisciplinary approach will help to identify key molecules in the transduction of mechanical signals potentially involved in maintenance and resistance of CSCs and thus offer new targets to counter these effects

Role of the microenvironment in maintenance and resistance of leukemic stem cells in Chronic Myelogenous Leukemia. BMP pathway and mechanical forces

Une des principales causes d’échec dans le traitement des cancers est le développement de résistances aux drogues par les cellules tumorales. Les cellules souches cancéreuses (CSC) sont suspectées d’être responsables de ces rechutes, conduisant à la récurrence de la maladie et bien souvent au décès des patients. En clinique, il est donc nécessaire de développer des stratégies thérapeutiques capables de cibler ces CSC résistantes et aboutir à la guérison des patients. Les CSC sont régulées par un ensemble de signaux aussi bien biologiques que physiques au sein de la niche tumorale. Mon projet a pour objectif de déterminer l’implication du microenvironnement tumoral (voie de signalisation BMP et contraintes mécaniques) dans le maintien et la résistance des cellules souches leucémiques (CSLs) de la leucémie myéloïde chronique (LMC). Pour cela, nous avons combiné tests fonctionnels et moléculaires ainsi que l’analyse de la niche tumorale sur plus de 200 échantillons de patients atteints de LMC. Nous avons ainsi démontré que l’altération de la voie BMP intrinsèque aux cellules immatures de la LMC corrompt et amplifie la réponse à BMP2 et BMP4, présents en quantités anormalement abondantes au sein de la niche tumorale. Ces résultats récemment publiés dans Blood nous ont amenés à évaluer le rôle de la voie BMP dans le maintien des CSLs sous traitement par les ITK. La microscopie à force atomique nous a permis de démontrer que l’expression de BCR-ABL est suffisante pour induire une augmentation de la rigidité des cellules immatures de LMC par rapport à des cellules saines. Enfin, l’utilisation d’un système de confinement cellulaire nous a permis de démontrer que le stress mécanique contrôle la prolifération des cellules leucémiques immatures en régulant l’expression de gènes mécano-sensibles comme Twist-1. Ces résultats pourraient expliquer comment des CSLs tirent profit des contraintes mécaniques issues de leur microenvironnement afin d’acquérir un avantage prolifératif par rapport aux cellules saines. Ultimement, nous espérons que cette approche transdisciplinaire permettra d’identifier les molécules clés de la transduction de signaux mécaniques potentiellement impliqués dans le maintien et la résistance des CSC et ainsi proposer de nouvelles cibles pour contrer ces effets.One of the main causes of treatment failure in cancers is the development of drug resistance by cancer cells. The persistence of cancer stem cells (CSCs) might explain cancer relapses as they could allow reactivation of cancer cells proliferation following therapy, leading to disease persistence and ultimately to patients’ death. Clinically, it is crucial to develop therapeutic strategies able to target resistant CSCs in order to cure the patients. CSCs are controlled by a variety of biochemical and biomechanical signals from the leukemic niche. My project aims to determine the involvement of the tumor microenvironment (BMP signaling pathway and mechanical stress) in the maintenance and resistance of Leukemic Stem Cells (LSCs) in Chronic Myelogenous Leukemia (CML). For this, we combined functional and molecular assays to the analysis of tumor microenvironment on more than 200 CML patients’ samples. We demonstrated that alterations of intracellular BMP signaling pathway in CP-CML primary samples corrupt and amplify the response to exogenous BMP2 and BMP4, which are abnormally abundant in the tumor microenvironment. These results, recently published in Blood led us to evaluate the role of the BMP pathway in LSC maintenance under TKI treatment. Atomic force microscopy allowed us to demonstrate that BCR-ABL expression alone is sufficient to increases the rigidity of immature CML cells compared to healthy ones. Finally, using a unique cell confining system, we were able to demonstrate that mechanical stress controls the proliferation of immature leukemic cells by regulating the expression of mechano-sensitive genes such as Twist-1. These results could explain how LSCs can benefit from a mechanical stress exerted by their microenvironment to acquire a proliferative advantage over normal cells. Ultimately, we hope that this transdisciplinary approach will help to identify key molecules in the transduction of mechanical signals potentially involved in maintenance and resistance of CSCs and thus offer new targets to counter these effects

BMP et cancer

Dans le contexte normal, les bone morphogenetic proteins (BMP), membres de la superfamille du TGFβ (transforming growth factor β), sont des protéines clés dans la régulation des cellules souches adultes. Ces molécules influencent l’ensemble des propriétés fonctionnelles et phénotypiques (autorenouvellement, prolifération, différenciation, apoptose, quiescence, etc.) de ces cellules. Elles le font en agissant soit directement sur la cellule souche, soit par l’intermédiaire de son microenvironnement, et participent à l’équilibre entre les cellules souches et leur « niche ». Dans le contexte tumoral, l’altération de la voie des BMP déstabilise ces interactions et participe ainsi aux différentes étapes du processus de transformation

3D lens-free time-lapse microscopy for 3D cell culture

National audienc

3D+time acquisitions of 3D cell culture by means of lens-free tomographic microscopy

Editors: Thomas G. Brown, Carol J. Cogswell, Tony WilsonWe propose a three-dimensional (3D) imaging platform based on lens-free microscopy to perform multi-angle acquisitions on 3D cell cultures embedded in extracellular matrix (ECM). We developed algorithms based on the Fourier diffraction theorem to perform fully 3D reconstructions of biological samples and we adapted the lens-free microscope to incubator conditions. Here we demonstrate for the first time, 3D+time lens-free acquisitions of 3D cell culture over 8 days directly into the incubator. The 3D reconstructed volume is as large as ~5 mm3 and provides a unique way to observe in the same 3D cell culture experiment multiple cell migration strategies. Namely, in a 3D cell culture of prostate epithelial cells embedded within a Matrigel® matrix, we are able to distinguish single cell ’leaders’, migration of cell clusters, migration of large aggregates of cells, and also close-gap and large-scale branching. In addition, we observe long-scale 3D deformations of the ECM that modify the geometry of the 3D cell culture. Interestingly, we also observed the opposite, i.e. we found that large aggregates of cells may deform the ECM by generating traction forces over very long distances. In sum we put forward a novel 3D lens-free microscopy tomographic technique to study the single and collective cell migrations, the cell-to-cell interactions and the cell-to-matrix interactions

3D+time acquisitions of 3D cell culture by means of lens-free tomographic microscopy

Editors: Thomas G. Brown, Carol J. Cogswell, Tony WilsonWe propose a three-dimensional (3D) imaging platform based on lens-free microscopy to perform multi-angle acquisitions on 3D cell cultures embedded in extracellular matrix (ECM). We developed algorithms based on the Fourier diffraction theorem to perform fully 3D reconstructions of biological samples and we adapted the lens-free microscope to incubator conditions. Here we demonstrate for the first time, 3D+time lens-free acquisitions of 3D cell culture over 8 days directly into the incubator. The 3D reconstructed volume is as large as ~5 mm3 and provides a unique way to observe in the same 3D cell culture experiment multiple cell migration strategies. Namely, in a 3D cell culture of prostate epithelial cells embedded within a Matrigel® matrix, we are able to distinguish single cell ’leaders’, migration of cell clusters, migration of large aggregates of cells, and also close-gap and large-scale branching. In addition, we observe long-scale 3D deformations of the ECM that modify the geometry of the 3D cell culture. Interestingly, we also observed the opposite, i.e. we found that large aggregates of cells may deform the ECM by generating traction forces over very long distances. In sum we put forward a novel 3D lens-free microscopy tomographic technique to study the single and collective cell migrations, the cell-to-cell interactions and the cell-to-matrix interactions

Immature CML cells implement a BMP autocrine loop to escape TKI treatment

International audienc

Lens-free microscopy for 3D + time acquisitions of 3D cell culture

Abstract Thanks to a novel three-dimensional imaging platform based on lens-free microscopy, it is possible to perform multi-angle acquisitions and holographic reconstructions of 3D cell cultures directly into the incubator. Being able of reconstructing volumes as large as ~5 mm3 over a period of time covering several days, allows us to observe a broad range of migration strategies only present in 3D environment, whether it is single cell migration, collective migrations of cells and dispersal of cells. In addition we are able to distinguish new interesting phenomena, e.g. large-scale cell-to-matrix interactions (>1 mm), fusion of cell clusters into large aggregate (~10,000 µm2) and conversely, total dissociation of cell clusters into clumps of migrating cells. This work on a novel 3D + time lens-free microscopy technique thus expands the repertoire of phenomena that can be studied within 3D cell cultures

Comparative study of fully three-dimensional reconstruction algorithms for lens-free microscopy

International audienceWe propose a three-dimensional (3D) imaging platform based on lens-free microscopy to perform multiangle acquisitions on 3D cell cultures embedded in extracellular matrices. Lens-free microscopy acquisitions present some inherent issues such as the lack of phase information on the sensor plane and a limited angular coverage. We developed and compared three different algorithms based on the Fourier diffraction theorem to obtain fully 3D reconstructions. These algorithms present an increasing complexity associated with a better reconstruction quality. Two of them are based on a regularized inverse problem approach. To compare the reconstruction methods in terms of artefact reduction, signal-to-noise ratio, and computation time, we tested them on two experimental datasets: an endothelial cell culture and a prostate cell culture grown in a 3D extracellular matrix with large reconstructed volumes up to ∼5  mm3∼5  mm3 with a resolution sufficient to resolve isolated single cells. The lens-free reconstructions compare well with standard microscopy