Targeting of the beta-adrenergic pathway with propranolol in cutaneous vascular tumors

Le propranolol est actuellement le traitement de première intention des hémangiomes infantiles (HI), tumeurs vasculaires cutanées bénignes touchant 5 à 10% des nouveau-nés. La découverte de l’efficacité du propranolol dans le traitement des HI par notre équipe a ouvert une nouvelle voie thérapeutique pour les tumeurs vasculaires, en particulier les angiosarcomes, qui sont des tumeurs malignes très rares et de mauvais pronostic. Cependant, les mécanismes d’action ainsi que les cibles moléculaires et cellulaires du bêtabloquant sont à ce jour loin d’être complétement élucidés. Le repositionnement du propranolol comme traitement anti-tumoral nécessite d’une part une meilleure compréhension de ses mécanismes d’action et d’autre part l’identification de marqueurs prédictifs de réponse. Le propranolol agit en se fixant sur les récepteurs bêta-adrénergiques, empêchant l’activation de la voie bêta-adrénergique par les agonistes naturels que sont les catécholamines. Il n’existe actuellement pas de modèles satisfaisant d’HI ni d’angiosarcome pour l’étude de l’efficacité du propranolol, d’où la nécessité de mettre au point de nouveaux modèles d’étude. Ce travail de recherche s’inscrit dans cet axe. Outre la compréhension des effets anti-tumoraux du propanolol, ces modèles doivent permettre l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Dans un premier temps, un modèle in vivo de glioblastome nous a permis d’identifier la protéine aquaporine 1 (AQP1) comme cible du propranolol. L’étude de l’expression et de la localisation d’AQP1 dans l’HI a révélé un profil histopathologique unique de la protéine, fortement exprimée au niveau périvasculaire, précisément par les télocytes, identifiés par microscopie électronique. Dans un deuxième temps, nous avons développé un modèle in vitro d’HI répondant à de faibles doses de propranolol et avons testé l’effet de la drogue sur un paramètre clé du développement des HI, l’angiogenèse. Nous avons évalué l’importance fonctionnelle des télocytes et testé AQP1 comme cible dans ce modèle. Les résultats ont mis en évidence le rôle clé des télocytes et d’AQP1 dans la réponse anti-tumorale au propranolol dans l’HI. Ce modèle a également permis l’étude de l’impact de la noradrénaline et a révélé un rôle important de cette catécholamine dans la tubulogenèse de l’HI et dans sa réponse au propranolol. Nous avons également montré une quantité élevée de noradrénaline et des enzymes de synthèse des catécholamines dans les HI. Enfin, nous avons testé les effets du propranolol sur la migration, l’interaction cellule-cellule ainsi que sur la formation de sphéroïdes de lignées humaines d’angiosarcome. Grâce à l’établissement de ces modèles d’étude 2D et 3D, nous avons mis en évidence un effet inhibiteur du bêtabloquant à faible dose sur la migration et l’invasion des cellules tumorales d’angiosarcome et nous avons pu investiguer le rôle du récepteur bêta-2 adrénergique et d’AQP1 dans cet effet. L’ensemble de ces résultats permettent de mieux comprendre l’activité anti-tumorale du propranolol et de mieux appréhender d’éventuels nouveaux essais précliniques et cliniques.Propranolol is currently the first-line treatment for severe infantile hemangioma (IH), which is the most frequent tumor of infancy, affecting 5-10% of newborns. Neither the molecular mechanism of action of propranolol nor the cellular and molecular targets of the drug has been identified with a strong proof of concept. Propranolol is a non-selective beta-adrenergic receptors inhibitor that antagonizes the effect of catecholamines, and thus, prevents the activation of beta-adrenergic pathway. The serendipitous discovery of the propranolol efficiency in IH treatment by our team has opened up a new therapeutic strategy for the treatment of other vascular tumors, in particular angiosarcomas, which are rare malignant tumors with a poor prognosis. The repositioning of propranolol requires a better understanding of the antitumor mechanism of action of this betablocker as well as the identification of new predictive markers of response. There are currently no satisfactory models of HI or angiosarcoma for studying the efficacy of propranolol. Therefore, there is a need to develop new models for a better understanding of the antitumor effects of propranolol to, ultimately, identify new therapeutic targets. First, we showed that propranolol antitumor activity was associated with alteration of Aquaporin 1 (AQP1), a water and ion channel involved in tumor cell migration, invasion and angiogenesis. Immunofluorescence staining revealed a unique histological profile of AQP1 in IH, which is highly expressed in the perivascular space by stromal cells named telocytes that we recently identified in IH. We developed an IH in vitro model using lesional patient-derived cells to investigate the role of telocytes in the antiangiogenic effect of propranolol in IH, the impact of noradrenaline and to test AQP1 as a target of the beta blockade response. This 3D model showed an involvement of noradrenaline in IH tubulogenic properties and revealed a critical role of AQP1 and telocytes in the antitumor response of propranolol. Moreover, we showed high levels of noradrenaline and catecholamines synthesis enzymes in IH. Finally, we studied the effects of propranolol in 2D and 3D in vitro models using human angiosarcoma cell lines and showed an inhibitory effect of low doses of this betablocker on the migration, cell-cell interactions and invasion of the human angiosarcoma tumor cell lines. Then we investigated the role of the beta-2 adrenergic receptor and AQP1 in this effect.All together, these results provide a better understanding of the antitumor activity of propranolol and a pave the way for new preclinical and clinical trials

Targeting of the beta-adrenergic pathway with propranolol in cutaneous vascular tumors

Le propranolol est actuellement le traitement de première intention des hémangiomes infantiles (HI), tumeurs vasculaires cutanées bénignes touchant 5 à 10% des nouveau-nés. La découverte de l’efficacité du propranolol dans le traitement des HI par notre équipe a ouvert une nouvelle voie thérapeutique pour les tumeurs vasculaires, en particulier les angiosarcomes, qui sont des tumeurs malignes très rares et de mauvais pronostic. Cependant, les mécanismes d’action ainsi que les cibles moléculaires et cellulaires du bêtabloquant sont à ce jour loin d’être complétement élucidés. Le repositionnement du propranolol comme traitement anti-tumoral nécessite d’une part une meilleure compréhension de ses mécanismes d’action et d’autre part l’identification de marqueurs prédictifs de réponse. Le propranolol agit en se fixant sur les récepteurs bêta-adrénergiques, empêchant l’activation de la voie bêta-adrénergique par les agonistes naturels que sont les catécholamines. Il n’existe actuellement pas de modèles satisfaisant d’HI ni d’angiosarcome pour l’étude de l’efficacité du propranolol, d’où la nécessité de mettre au point de nouveaux modèles d’étude. Ce travail de recherche s’inscrit dans cet axe. Outre la compréhension des effets anti-tumoraux du propanolol, ces modèles doivent permettre l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Dans un premier temps, un modèle in vivo de glioblastome nous a permis d’identifier la protéine aquaporine 1 (AQP1) comme cible du propranolol. L’étude de l’expression et de la localisation d’AQP1 dans l’HI a révélé un profil histopathologique unique de la protéine, fortement exprimée au niveau périvasculaire, précisément par les télocytes, identifiés par microscopie électronique. Dans un deuxième temps, nous avons développé un modèle in vitro d’HI répondant à de faibles doses de propranolol et avons testé l’effet de la drogue sur un paramètre clé du développement des HI, l’angiogenèse. Nous avons évalué l’importance fonctionnelle des télocytes et testé AQP1 comme cible dans ce modèle. Les résultats ont mis en évidence le rôle clé des télocytes et d’AQP1 dans la réponse anti-tumorale au propranolol dans l’HI. Ce modèle a également permis l’étude de l’impact de la noradrénaline et a révélé un rôle important de cette catécholamine dans la tubulogenèse de l’HI et dans sa réponse au propranolol. Nous avons également montré une quantité élevée de noradrénaline et des enzymes de synthèse des catécholamines dans les HI. Enfin, nous avons testé les effets du propranolol sur la migration, l’interaction cellule-cellule ainsi que sur la formation de sphéroïdes de lignées humaines d’angiosarcome. Grâce à l’établissement de ces modèles d’étude 2D et 3D, nous avons mis en évidence un effet inhibiteur du bêtabloquant à faible dose sur la migration et l’invasion des cellules tumorales d’angiosarcome et nous avons pu investiguer le rôle du récepteur bêta-2 adrénergique et d’AQP1 dans cet effet. L’ensemble de ces résultats permettent de mieux comprendre l’activité anti-tumorale du propranolol et de mieux appréhender d’éventuels nouveaux essais précliniques et cliniques.Propranolol is currently the first-line treatment for severe infantile hemangioma (IH), which is the most frequent tumor of infancy, affecting 5-10% of newborns. Neither the molecular mechanism of action of propranolol nor the cellular and molecular targets of the drug has been identified with a strong proof of concept. Propranolol is a non-selective beta-adrenergic receptors inhibitor that antagonizes the effect of catecholamines, and thus, prevents the activation of beta-adrenergic pathway. The serendipitous discovery of the propranolol efficiency in IH treatment by our team has opened up a new therapeutic strategy for the treatment of other vascular tumors, in particular angiosarcomas, which are rare malignant tumors with a poor prognosis. The repositioning of propranolol requires a better understanding of the antitumor mechanism of action of this betablocker as well as the identification of new predictive markers of response. There are currently no satisfactory models of HI or angiosarcoma for studying the efficacy of propranolol. Therefore, there is a need to develop new models for a better understanding of the antitumor effects of propranolol to, ultimately, identify new therapeutic targets. First, we showed that propranolol antitumor activity was associated with alteration of Aquaporin 1 (AQP1), a water and ion channel involved in tumor cell migration, invasion and angiogenesis. Immunofluorescence staining revealed a unique histological profile of AQP1 in IH, which is highly expressed in the perivascular space by stromal cells named telocytes that we recently identified in IH. We developed an IH in vitro model using lesional patient-derived cells to investigate the role of telocytes in the antiangiogenic effect of propranolol in IH, the impact of noradrenaline and to test AQP1 as a target of the beta blockade response. This 3D model showed an involvement of noradrenaline in IH tubulogenic properties and revealed a critical role of AQP1 and telocytes in the antitumor response of propranolol. Moreover, we showed high levels of noradrenaline and catecholamines synthesis enzymes in IH. Finally, we studied the effects of propranolol in 2D and 3D in vitro models using human angiosarcoma cell lines and showed an inhibitory effect of low doses of this betablocker on the migration, cell-cell interactions and invasion of the human angiosarcoma tumor cell lines. Then we investigated the role of the beta-2 adrenergic receptor and AQP1 in this effect.All together, these results provide a better understanding of the antitumor activity of propranolol and a pave the way for new preclinical and clinical trials

Étude du ciblage de la voie bêta-adrénergique par le propranolol dans le traitement des tumeurs vasculaires cutanées

Propranolol is currently the first-line treatment for severe infantile hemangioma (IH), which is the most frequent tumor of infancy, affecting 5-10% of newborns. Neither the molecular mechanism of action of propranolol nor the cellular and molecular targets of the drug has been identified with a strong proof of concept. Propranolol is a non-selective beta-adrenergic receptors inhibitor that antagonizes the effect of catecholamines, and thus, prevents the activation of beta-adrenergic pathway. The serendipitous discovery of the propranolol efficiency in IH treatment by our team has opened up a new therapeutic strategy for the treatment of other vascular tumors, in particular angiosarcomas, which are rare malignant tumors with a poor prognosis. The repositioning of propranolol requires a better understanding of the antitumor mechanism of action of this betablocker as well as the identification of new predictive markers of response. There are currently no satisfactory models of HI or angiosarcoma for studying the efficacy of propranolol. Therefore, there is a need to develop new models for a better understanding of the antitumor effects of propranolol to, ultimately, identify new therapeutic targets. First, we showed that propranolol antitumor activity was associated with alteration of Aquaporin 1 (AQP1), a water and ion channel involved in tumor cell migration, invasion and angiogenesis. Immunofluorescence staining revealed a unique histological profile of AQP1 in IH, which is highly expressed in the perivascular space by stromal cells named telocytes that we recently identified in IH. We developed an IH in vitro model using lesional patient-derived cells to investigate the role of telocytes in the antiangiogenic effect of propranolol in IH, the impact of noradrenaline and to test AQP1 as a target of the beta blockade response. This 3D model showed an involvement of noradrenaline in IH tubulogenic properties and revealed a critical role of AQP1 and telocytes in the antitumor response of propranolol. Moreover, we showed high levels of noradrenaline and catecholamines synthesis enzymes in IH. Finally, we studied the effects of propranolol in 2D and 3D in vitro models using human angiosarcoma cell lines and showed an inhibitory effect of low doses of this betablocker on the migration, cell-cell interactions and invasion of the human angiosarcoma tumor cell lines. Then we investigated the role of the beta-2 adrenergic receptor and AQP1 in this effect.All together, these results provide a better understanding of the antitumor activity of propranolol and a pave the way for new preclinical and clinical trials.Le propranolol est actuellement le traitement de première intention des hémangiomes infantiles (HI), tumeurs vasculaires cutanées bénignes touchant 5 à 10% des nouveau-nés. La découverte de l’efficacité du propranolol dans le traitement des HI par notre équipe a ouvert une nouvelle voie thérapeutique pour les tumeurs vasculaires, en particulier les angiosarcomes, qui sont des tumeurs malignes très rares et de mauvais pronostic. Cependant, les mécanismes d’action ainsi que les cibles moléculaires et cellulaires du bêtabloquant sont à ce jour loin d’être complétement élucidés. Le repositionnement du propranolol comme traitement anti-tumoral nécessite d’une part une meilleure compréhension de ses mécanismes d’action et d’autre part l’identification de marqueurs prédictifs de réponse. Le propranolol agit en se fixant sur les récepteurs bêta-adrénergiques, empêchant l’activation de la voie bêta-adrénergique par les agonistes naturels que sont les catécholamines. Il n’existe actuellement pas de modèles satisfaisant d’HI ni d’angiosarcome pour l’étude de l’efficacité du propranolol, d’où la nécessité de mettre au point de nouveaux modèles d’étude. Ce travail de recherche s’inscrit dans cet axe. Outre la compréhension des effets anti-tumoraux du propanolol, ces modèles doivent permettre l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Dans un premier temps, un modèle in vivo de glioblastome nous a permis d’identifier la protéine aquaporine 1 (AQP1) comme cible du propranolol. L’étude de l’expression et de la localisation d’AQP1 dans l’HI a révélé un profil histopathologique unique de la protéine, fortement exprimée au niveau périvasculaire, précisément par les télocytes, identifiés par microscopie électronique. Dans un deuxième temps, nous avons développé un modèle in vitro d’HI répondant à de faibles doses de propranolol et avons testé l’effet de la drogue sur un paramètre clé du développement des HI, l’angiogenèse. Nous avons évalué l’importance fonctionnelle des télocytes et testé AQP1 comme cible dans ce modèle. Les résultats ont mis en évidence le rôle clé des télocytes et d’AQP1 dans la réponse anti-tumorale au propranolol dans l’HI. Ce modèle a également permis l’étude de l’impact de la noradrénaline et a révélé un rôle important de cette catécholamine dans la tubulogenèse de l’HI et dans sa réponse au propranolol. Nous avons également montré une quantité élevée de noradrénaline et des enzymes de synthèse des catécholamines dans les HI. Enfin, nous avons testé les effets du propranolol sur la migration, l’interaction cellule-cellule ainsi que sur la formation de sphéroïdes de lignées humaines d’angiosarcome. Grâce à l’établissement de ces modèles d’étude 2D et 3D, nous avons mis en évidence un effet inhibiteur du bêtabloquant à faible dose sur la migration et l’invasion des cellules tumorales d’angiosarcome et nous avons pu investiguer le rôle du récepteur bêta-2 adrénergique et d’AQP1 dans cet effet. L’ensemble de ces résultats permettent de mieux comprendre l’activité anti-tumorale du propranolol et de mieux appréhender d’éventuels nouveaux essais précliniques et cliniques

Dynamic Uni- and Multicellular Patterns Encode Biphasic Activity in Pancreatic Islets

Biphasic secretion is an autonomous feature of many endocrine micro-organs to fulfill physiological demands. The biphasic activity of islet beta-cells maintains glucose homeostasis and is altered in type 2 diabetes. Nevertheless, underlying cellular or multicellular functional organizations are only partially understood. High-resolution noninvasive multielectrode array recordings permit simultaneous analysis of recruitment, of single-cell, and of coupling activity within entire islets in long-time experiments. Using this unbiased approach, we addressed the organizational modes of both first and second phase in mouse and human islets under physiological and pathophysiological conditions. Our data provide a new uni- and multicellular model of islet beta-cell activation: during the first phase, small but highly active beta-cell clusters are dominant, whereas during the second phase, electrical coupling generates large functional clusters via multicellular slow potentials to favor an economic sustained activity. Postprandial levels of glucagon-like peptide 1 favor coupling only in the second phase, whereas aging and glucotoxicity alter coupled activity in both phases. In summary, biphasic activity is encoded upstream of vesicle pools at the micro-organ level by multicellular electrical signals and their dynamic synchronization between beta-cells. The profound alteration of the electrical organization of islets in pathophysiological conditions may contribute to functional deficits in type 2 diabetes

Is Infantile Hemangioma a Neuroendocrine Tumor?

Infantile hemangioma (IH) is the most common infantile tumor, affecting 5–10% of newborns. Propranolol, a nonselective β-adrenergic receptor (ADRB) antagonist, is currently the first-line treatment for severe IH; however, both its mechanism of action and its main cellular target remain poorly understood. Since betablockers can antagonize the effect of natural ADRB agonists, we postulated that the catecholamine produced in situ in IH may have a role in the propranolol response. By quantifying catecholamines in the IH tissues, we found a higher amount of noradrenaline (NA) in untreated proliferative IHs than in involuted IHs or propranolol-treated IHs. We further found that the first three enzymes of the catecholamine biosynthesis pathway are expressed by IH cells and that their levels are reduced in propranolol-treated tumors. To study the role of NA in the pathophysiology of IH and its response to propranolol, we performed an in vitro angiogenesis assay in which IH-derived endothelial cells, pericytes and/or telocytes were incorporated. The results showed that the total tube formation is sensitive to propranolol only when exogenous NA is added in the three-cell model. We conclude that the IH’s sensitivity to propranolol depends on crosstalk between the endothelial cells, pericytes and telocytes in the context of a high local amount of local NA