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# Mathematical modelling of immunotherapies associated with radiotherapy in the treatment of cancers

Raphaël Serre

► To cite this version:

Raphaël Serre. Mathematical modelling of immunotherapies associated with radiotherapy in the treatment of cancers. Life Sciences [q-bio]. Aix-marseille université, 2022. English. NNT: tel-03939070

HAL Id: tel-03939070

https://hal.science/tel-03939070

Submitted on 14 Jan 2023

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# THÈSE DE DOCTORAT

Soutenue à Aix-Marseille Université
le 4 mars 2022 par

Raphaël Serre

## Modélisation mathématique des immunothérapies associées à la radiothérapie dans le traitement des cancers

**Discipline**

Biologie Santé

**Spécialité**

Oncologie

**École doctorale**

62 Sciences de la Vie et de la Santé

**Laboratoire**

CRCM, COMPO

**Composition du jury**

Pr Dominique BARBOLOSI Directeur de thèse,

Aix Marseille Université

Pr Fabrice BARLESI Président du jury,

Institut Gustave Roussy

Dr Sébastien BENZEKRY Examinateur

CRCM-INRIA

Pr Eric DEUTSCH Rapporteur,

Institut Gustave Roussy

Pr Françoise MORNEX Rapporteuse

Hospices Civils de Lyon

Dr Xavier MURACCIOLE Examinateur,

Assistance Publique Hôpitaux de Marseille

Dr Benjamin RIBBA Examinateur,

ROCHE Pharma Research & Early Development

Pr Eric VIVIER Examinateur

Innate Pharma, Aix Marseille Université
Remerciements

Je remercie mon directeur de thèse, le Pr Dominique Barbolosi, pour sa confiance, son soutien, ses conseils et son impact sur mon cheminement scientifique.

Je remercie le Dr Xavier Muracciole pour sa bienveillance et son enseignement lorsque j'étais externe en médecine, il m'a inspiré dans mes travaux et donné envie de devenir oncologue-radiothérapeute.

Je remercie le Pr Fabrice Barlesi, pour son soutien déterminant à l'approche transdisciplinaire de l'équipe COMPO et la dynamique issue de sa vision globale.

Je remercie le Dr Sébastien Benzekry, directeur de l'équipe COMPO pour ses conseils, son expertise et sa disponibilité et tous les collaborateurs de l'équipe COMPO avec qui j'ai pu échanger, en particulier le Pr Athanassios Iliadis, la Pr associée Florence Gattacceca, la Pr Laetitia Padovani, le Pr Nicolas André, sans oublier certains anciens collaborateurs de l'équipe, comme la Dr Vesna Cuplov.

Je remercie bien sûr le Pr Joseph Ciccolini, codirecteur de l'équipe COMPO, qui m'a encouragé à faire cette thèse et a apporté son soutien pour les formations et les participations aux congrès.

Je remercie le Pr Eric Deutsch d'avoir rapporté sur ce travail et pour ses remarques constructives, j'espère que nous continuerons à avoir des collaborations fructueuses à l'avenir.

Je remercie la Pr Françoise Mornex d'avoir rapporté sur ce travail, pour ses remarques constructives et pour ses conseils de développer les perspectives cliniques de ces travaux.

Je remercie le Pr Eric Vivier pour la qualité de son enseignement en immunologie lorsque j'étais externe en médecine, pour m'avoir fait plus tard l'honneur d'accepter de juger ces travaux et les conseils prodigués.

Je remercie le Dr Benjamin Ribba pour avoir donné la précieuse appréciation d'un professionnel de la modélisation pharmaceutique.

J'exprime ma gratitude au Dr Christophe Meille pour son aide fréquente en pharmacocinétique et la prise en main du logiciel MONOLIX, enseignée avec pédagogie et patience.
Je remercie le Pr Jean-Louis Mège, Directeur de L'Ecole Doctorale 62.

Je remercie enfin l'équipe de radiothérapie au CHU Limoges, pour ses encouragements, en particulier le Pr Pierre Clavère, la Dr Hélène Orliac, la Dr Gladys Mauriange-Turpin, la Dr Audrey Larnaudie et notre physicien coordonnateur, Romain Turcat, pour sa relecture attentive du manuscrit.

Je remercie enfin mon épouse, la Dr Elissa Cousin-Serre pour son soutien global, du moral jusqu'aux aspects techniques de la programmation web.
Affidavit

Je soussigné, Raphaël Serre, déclare par la présente que le travail présenté dans ce manuscrit est mon propre travail, réalisé sous la direction scientifique de Dominique Barbolosi, dans le respect des principes d'honnêteté, d'intégrité et de responsabilité inhérents à la mission de recherche. Les travaux de recherche et la rédaction de ce manuscrit ont été réalisés dans le respect à la fois de la charte nationale de déontologie des métiers de la recherche et de la charte d'Aix-Marseille Université relative à la lutte contre le plagiat.

Ce travail n'a pas été précédemment soumis en France ou à l'étranger dans une version identique ou similaire à un organisme examinateur.

Fait à Aixe sur Vienne, le 2 octobre 2021.
Affidavit

I, undersigned, Raphaël Serre, hereby declare that the work presented in this
manuscript is my own work, carried out under the scientific direction of Dominique
Barbolosi, in accordance with the principles of honesty, integrity and responsibility
inherent to the research mission. The research work and the writing of this manuscript
have been carried out in compliance with both the French national charter for Research
Integrity and the Aix-Marseille University charter on the fight against plagiarism.

This work has not been submitted previously either in this country or in another
country in the same or in a similar version to any other examination body.

Aixe sur Vienne, 10/02/2021.
## Liste de publications et participations aux conférences

### Liste de publications dans le cadre du projet de thèse

1. Serre R, Benzekry S, Padovani L, Meille C, Andre N, Ciccolini J, et al. Mathematical Modeling of Cancer Immunotherapy and Its Synergy with Radiotherapy. Cancer Research. 1 sept 2016;76(17):4931-40.

2. Serre R, Barlesi F, Muracciole X, Barbolosi D. Immunologically effective dose: a practical model for immuno-radiotherapy. Oncotarget. 7 août 2018;9(61):31812-9.

## Conférences

2015: Atelier National de Radiothérapie Pédiatrique, Ajaccio (Orateur)

2016: 10ème forum MACC, Saint Paul de Vence (Orateur)

2016: AACR, New Orleans, USA (Poster: radiotherapy and immunotherapy in cancer: a mathematical model)

2017: PAMM, Split, Croatia (Poster: chemo-immunotherapy, in-silico modeling in treatment of solid tumor)

2017: AACR, Washington DC, USA (Poster: chemo-immunotherapy, in-silico modeling in treatment of solid tumor)

2018: congrès Immunorad, Paris (Orateur)
Abstract

Radiation therapy and immunotherapy are two fundamental modalities in anti-cancer therapeutic strategies: almost half of the patients are treated by radiation therapy at least once during their treatment, while the indications for immunotherapies have greatly progressed in recent years with the rapid development of immune checkpoint inhibitors and CAR T cells. These modalities have a strong potential for synergy in combination: animal experiments have shown that antigenic release induced by radiotherapy can potentiate the efficacy of immunotherapy. Numerous combination clinical trials are currently underway, some of which have been published recently. The clinical results are encouraging, but further progress is needed to specify the optimal modalities of administration of immuno-radiotherapy. In particular, the sequencing of the two modalities and the fractionation of the radiotherapy need to be clarified. In this thesis, we have provided answers by proposing a numerical modeling approach. Two mathematical models are presented, with the two corresponding papers, which address the issues of sequencing and fractionation for immuno-radiotherapy. The validity of the predictions of these models in the light of the most recent clinical data will be highlighted and discussed and their relevance will be highlighted. A detailed review of the available safety data for the combinations of radiotherapy with some of the most common immune checkpoint inhibitors has been performed: it is shown that tolerance and toxicity could be limiting factors in the widespread adoption of immuno-radiotherapy, as some recent clinical studies have shown an increased rate of toxicities. We hope that this theoretical advance will allow the design of radiotherapy regimens with excellent immunogenicity, without compromising radiocurability. Further studies will be needed to confirm these preliminary results in a larger number of patients and to integrate the toxicity data of immuno-radiotherapy.

**Keywords** : oncology, radiation therapy, radiotherapy, immunotherapy, immuno-radiotherapy, immune checkpoint inhibitors, mathematical modeling, linear quadratic model, immunologically effective dose
Résumé

La radiothérapie et les immunothérapies sont deux modalités fondamentales dans les stratégies thérapeutiques anti cancéreuses: près de la moitié des patients est traitée par radiothérapie au moins une fois au cours de sa prise en charge, tandis que les indications des immunothérapies ont largement progressé depuis ces dernières années avec le développement rapide des inhibiteurs de checkpoint immunitaires mais aussi des CAR T cells. Ces modalités ont un fort potentiel de synergie en combinaison: des expériences animales ont montré que le relargage antigénique induit par la radiothérapie peut potentialiser l'efficacité de l'immunothérapie. De nombreux essais cliniques de combinaison sont actuellement en cours, quelques-uns ont été publiés récemment. Les résultats cliniques sont encourageants mais des avancées sont nécessaires pour préciser les modalités d'administration optimale de l'immuno-radiothérapie. En particulier, le séquencement des deux modalités et le fractionnement de la radiothérapie doivent être précisés. Dans cette thèse, nous avons apporté des réponses en proposant une approche de modélisation numérique. Deux modèles mathématiques sont présentés, avec les deux articles correspondants, qui adressent entre autres les questions du séquencement et du fractionnement pour l'immuno-radiothérapie. La validité des prédictions de ces modèles à la lumière des données cliniques les plus récentes sera discutée et leur pertinence sera soulignée et critiquée. Une revue détaillée des données de tolérance disponibles a été entreprise pour les combinaisons de radiothérapie avec les inhibiteurs de checkpoint les plus répandus actuellement: il est montré que la tolérance et les toxicités pourraient constituer un facteur limitant pour le développement de l'immuno-radiothérapie, alors que certains essais cliniques ont montré une augmentation des taux de toxicité. Nous espérons que cette avancée théorique permettra de concevoir des schémas de radiothérapie avec une excellente immunogénicité, sans compromis sur la radiocurabilité. Des études supplémentaires seront nécessaires pour confirmer ces résultats préliminaires sur un plus grand nombre de patients et pour intégrer les données de toxicité de l'immuno-radiothérapie.

**Mots-clés:** oncologie, radiothérapie, immunothérapie, inhibiteurs de checkpoint, modélisation mathématique, modèle linéaire-quadratique, dose immunologique efficace
Résumé grand public

La radiothérapie et les immunothérapies sont deux stratégies anti-cancéreuses fondamentales. Ces modalités ont un fort potentiel de synergie, car le relargage antigénique produit par la radiothérapie peut augmenter la réponse immunitaire, comme un vaccin. Des essais cliniques de combinaison sont en cours, certains résultats sont encourageants mais des avancées sont encore nécessaires pour préciser les modalités d'administration optimale de l'immuno-radiothérapie: le séquencement des deux modalités et le fractionnement de la radiothérapie doivent être précisés. Dans cette thèse, nous avons essayé de répondre par des modélisations numériques. La validité de ces modèles sera discutée à la lumière des données cliniques les plus récentes. Une revue des données de tolérance a aussi été faite: les toxicités pourraient être un facteur limitant, car des essais cliniques ont montré une augmentation des toxicités. Nous espérons utiliser ces modèles pour concevoir des schémas de radiothérapie avec une bonne immunogénicité. Des études supplémentaires seront nécessaires pour confirmer des résultats préliminaires et intégrer les données de toxicité.

Abstract (simplified)

Radiation therapy and immunotherapies are two fundamental anti-cancer strategies. These modalities have a strong potential for synergy, as the antigenic release produced by radiotherapy can increase the immune response, like a vaccine. Combination clinical trials are underway, some results are encouraging but further progress is needed to specify the optimal administration modalities of immuno-radiotherapy: the sequencing of the two modalities and the fractionation of the radiotherapy must be specified. In this thesis, we have tried to answer this question by numerical modelling. The validity of these models will be discussed in the light of the most recent clinical data. A review of tolerance data was also done: toxicities could be a limiting factor, as clinical trials have shown an increase in toxicities. We hope to use these models to design radiotherapy regimens with good immunogenicity. Further studies will be needed to confirm preliminary results and integrate toxicity data.
Table des matières

<table><tr><td>Remerciements</td><td>2</td></tr><tr><td>Affidavit</td><td>4</td></tr><tr><td>Affidavit</td><td>5</td></tr><tr><td>Liste de publications et participations aux conférences</td><td>6</td></tr><tr><td>Liste de publications dans le cadre du projet de thèse</td><td>6</td></tr><tr><td>Conférences</td><td>6</td></tr><tr><td>Abstract</td><td>7</td></tr><tr><td>Résumé</td><td>8</td></tr><tr><td>Résumé grand public</td><td>9</td></tr><tr><td>Abstract (simplified)</td><td>9</td></tr><tr><td>Table des matières</td><td>10</td></tr><tr><td>Introduction: radiothérapie et immunothérapie des cancers</td><td>14</td></tr><tr><td>Etat des connaissances</td><td>17</td></tr><tr><td>Place de la modélisation mathématique en médecine</td><td>17</td></tr><tr><td>Définitions</td><td>17</td></tr><tr><td>Modèles mécanistiques</td><td>17</td></tr><tr><td>Modèles phénoménologiques</td><td>17</td></tr><tr><td>Modèles statistiques</td><td>18</td></tr><tr><td>Intelligence artificielle, techniques de machine learning</td><td>19</td></tr><tr><td>Exemples de modélisations appliquées à l'oncologie</td><td>19</td></tr><tr><td>Synthèse</td><td>22</td></tr><tr><td>Eléments de cancérogénèse</td><td>24</td></tr><tr><td>Prolifération incontrôlée</td><td>24</td></tr><tr><td>Echappement aux signaux inhibiteurs</td><td>25</td></tr><tr><td>Echappement à l'inhibition de contact</td><td>25</td></tr><tr><td>Echappement à la mort cellulaire</td><td>25</td></tr><tr><td>Néo-angiogenèse</td><td>26</td></tr><tr><td>Diffusion métastatique</td><td>27</td></tr><tr><td>Instabilité génétique et épigénétique</td><td>29</td></tr><tr><td>Inflammation et cancer</td><td>30</td></tr><tr><td>Reprogrammation du métabolisme cellulaire</td><td>31</td></tr><tr><td>Echappement au système immunitaire</td><td>32</td></tr><tr><td>Radiothérapie: généralités</td><td>33</td></tr><tr><td>Rappels historiques</td><td>33</td></tr><tr><td>Les fondateurs</td><td>33</td></tr></table>
<table>
  <tr>
    <td>Premières applications médicales en oncologie</td>
    <td>34</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Techniques de radiothérapie externe</td>
    <td>35</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Accélérateurs linéaires (LINAC)</td>
    <td>35</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Tomothérapie</td>
    <td>36</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Cyberknife</td>
    <td>37</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>IRM-LINAC</td>
    <td>37</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Protonthérapie</td>
    <td>37</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>La radiothérapie interne : Curiethérapie</td>
    <td>37</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Définition et histoire de la Curiethérapie</td>
    <td>37</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Terminologie et techniques de Curiethérapie</td>
    <td>38</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Principes physiques de la Curiethérapie</td>
    <td>39</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>La dose en radiothérapie</td>
    <td>40</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Le Gray</td>
    <td>40</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Les mesures d'activité: curie, becquerel</td>
    <td>41</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Mesure de dose efficace: Sievert</td>
    <td>41</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Quelques paramètres de dosimétrie en radiothérapie externe</td>
    <td>42</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Relations entre dose, efficacité et toxicité</td>
    <td>43</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Tissus à réponse (ou prolifération) rapide ou lente</td>
    <td>43</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Le modèle linéaire-quadratique (LQ)</td>
    <td>44</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Modèle LQ et doses équivalentes: EQD2 et BED</td>
    <td>46</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Facteur temps et modèle LQ</td>
    <td>47</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Limites du facteur temps dans le modèle LQ</td>
    <td>49</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Mécanismes d'efficacité de la radiothérapie</td>
    <td>50</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Radiobiologie "classique": les 4 Rs</td>
    <td>50</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Cytotoxicité directe</td>
    <td>52</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Rôle du système immunitaire</td>
    <td>53</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Mécanismes de résistance</td>
    <td>54</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Toxicités de la radiothérapie</td>
    <td>54</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Lien entre doses, volumes et toxicités</td>
    <td>54</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Toxicités aiguës et tardives</td>
    <td>55</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Immunothérapie: généralités</td>
    <td>57</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Aspects historiques</td>
    <td>57</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Présentation du système immunitaire</td>
    <td>59</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Immunité innée</td>
    <td>59</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Immunité adaptative</td>
    <td>60</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Dysfonctionnements de l'immunité</td>
    <td>63</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Inhibiteurs de checkpoint immunitaires (ICI)</td>
    <td>65</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Anti - CTLA 4</td>
    <td>65</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Anti -PD1 et anti -PD L1</td>
    <td>67</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Toxicités des immunothérapies</td>
    <td>73</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>Mécanismes</td>
    <td>73</td>
  </tr>
</table>
<table>
  <tbody>
    <tr>
      <td>Fréquence des principales toxicités graves des immunothérapies</td>
      <td>75</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Toxicités et combinaisons</td>
      <td>76</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Hyperprogression sous immunothérapie</td>
      <td>77</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Nouveaux développements</td>
      <td>79</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Ciblage des lymphocytes NK</td>
      <td>79</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Ciblage des TAM et autres cellules myéloïdes</td>
      <td>81</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>CAR-T cells</td>
      <td>82</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Immuno-radiothérapie: généralités</td>
      <td>84</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Terminologie</td>
      <td>84</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Mécanismes d'efficacité de l'immuno-radiothérapie</td>
      <td>84</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Effet abscopal</td>
      <td>87</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Mécanismes de résistance</td>
      <td>89</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Immunosuppression radio-induite</td>
      <td>90</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Mécanismes radiobiologiques d'immunosuppression</td>
      <td>90</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Toxicités</td>
      <td>93</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Une synergie toxique?</td>
      <td>93</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Fréquence des irAEs et nombre de lésions traitées</td>
      <td>96</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Fréquence des irAEs et dose de radiothérapie</td>
      <td>96</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Pneumopathies auto-immunes</td>
      <td>97</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Lymphopénies et leucopénies</td>
      <td>98</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Dysphagie</td>
      <td>99</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Autres toxicités</td>
      <td>99</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Essais cliniques publiés et en cours</td>
      <td>99</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Tendances actuelles</td>
      <td>101</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Premier article</td>
      <td>103</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Présentation du modèle mathématique</td>
      <td>103</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Discussion</td>
      <td>111</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Masse tumorale critique</td>
      <td>111</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Durée de réponse aux inhibiteurs de checkpoint</td>
      <td>115</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Toxicités</td>
      <td>116</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Modélisation des traitements antiangiogéniques</td>
      <td>117</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Modélisation de l'immunogénicité des antigènes tumoraux</td>
      <td>118</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Modélisation de la mémoire-immunitaire</td>
      <td>119</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Synchronisation entre checkpoints inhibiteurs et radiothérapie</td>
      <td>121</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Reproduction du premier article</td>
      <td>124</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Premier article: données supplémentaires</td>
      <td>135</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Deuxième article</td>
      <td>145</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Introduction</td>
      <td>145</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Objectifs</td>
      <td>145</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Limites de la modélisation du premier article</td>
      <td>146</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
<table><tr><td>Présentation du deuxième modèle</td><td>147</td></tr><tr><td>Dose immunologique efficace</td><td>151</td></tr><tr><td>Propriétés de la dose immunologique efficace</td><td>153</td></tr><tr><td>Applications de la dose immunologique efficace</td><td>154</td></tr><tr><td>Nouveaux schémas d'irradiation</td><td>154</td></tr><tr><td>Stéréotaxie vs radiothérapie classique</td><td>155</td></tr><tr><td>Absence d'immunogénicité de la radiothérapie classique (?)</td><td>157</td></tr><tr><td>Sensibilité à la cinétique (immunitaire et mort cellulaire)</td><td>158</td></tr><tr><td>Immuno-radiothérapie à dose ablative vs sub ablative</td><td>160</td></tr><tr><td>Limites de la dose immunologique efficace</td><td>161</td></tr><tr><td>Toxicités</td><td>161</td></tr><tr><td>Volumes d'irradiation</td><td>162</td></tr><tr><td>Prophylaxie ganglionnaire: amie ou ennemie?</td><td>162</td></tr><tr><td>Microbiome intestinal</td><td>165</td></tr><tr><td>Conclusion sur la dose immunologique efficace</td><td>165</td></tr><tr><td>Reproduction du deuxième article</td><td>167</td></tr><tr><td>Conclusion</td><td>175</td></tr><tr><td>Références bibliographiques</td><td>180</td></tr></table>
Introduction: radiothérapie et immunothérapie des cancers

Les cancers sont en France la première cause de mortalité chez l'homme, la seconde chez la femme, avec 33000 décès annuels par cancer du poumon, 17000 pour le cancer colorectal, 12000 par cancer du sein et 8000 pour le cancer de la prostate<fnref n="1" />. Les cancers sont des maladies d'origine génétique où un ensemble de mutations aboutissent à une prolifération illimitée de cellules clonales, initialement localisée puis s'étendant aux organes distants. Les thérapeutiques anti-cancéreuses sont multimodales, adaptées au stade de la maladie ainsi qu'aux caractéristiques histologiques et éventuellement moléculaires de la maladie et elles associent chirurgie, radiothérapie, chimiothérapie, thérapies ciblées et immunothérapies.

La moitié des patients atteints de cancer reçoit de la radiothérapie à un moment de sa
prise en charge, pour des traitements curatifs ou palliatifs. Les effets anti tumoraux des
rayonnements ionisants permettent un fort taux de contrôle local et les techniques
modernes de délivrance de la radiothérapie permettent des escalades de dose dans des
volumes plus limités, sans dégrader la tolérance du traitement. Les rayonnements
ionisants provoquent des dégâts dans l'ADN tumoral directement et par l'intermédiaire
des réactifs activés de l'oxygène, qui induisent la mort cellulaire tumorale par apoptose
ou nécrose. Mais les dégâts dans l'ADN des cellules saines de voisinage causent des
toxicités et limitent les possibilités actuelles de la radiothérapie au traitement
loco-régional. La radiothérapie, employée seule, n'a pas d'action anti-tumorale
systémique.

Les chimiothérapies possèdent une action systémique mais leurs toxicités limitent les
quantités administrables et les chimiorésistances apparaissent très fréquemment,
d'emblée ou après une exposition de durée variable. Les thérapies ciblées possèdent
également une action systémique mais leur efficacité peut être limitée par
l'hétérogénéité tumorale et par la sélection de clones résistants.

Les immunothérapies, d'apparition relativement récente, ont connu un très fort développement depuis une dizaine d'années avec l'apparition d'anticorps inhibiteurs de checkpoint immunitaires, qui permettent chez certains patients de rétablir le contrôle immunitaire anti-tumoral en réactivant une réponse lymphocytaire T. Des indications d'immunothérapie existent aujourd'hui dans de nombreux cancers, préférentiellement

<footnote n="1">¹ Données de Santé Publique France, 2018.</footnote>
au stade métastatique et localement avancé mais aussi au stade localisé. La perspective de contrôler le cancer par l'intermédiaire du système immunitaire est une révolution thérapeutique, et de nombreux patients ont bénéficié de durées de réponse très longues, parfois pendant de nombreuses années. Cependant, les taux de réponse aux immunothérapies en monothérapie sont faibles (environ 1 patient sur 5) et les réponses longues ne sont pas systématiques, ce qui réduit leur bénéfice à une minorité de patients. Il est désormais admis que les immunothérapies devront s'intégrer dans des stratégies multimodales afin d'augmenter leur bénéfice clinique.

L'idée de combiner radiothérapie et immunothérapie semble prometteuse car une partie de l'efficacité de la radiothérapie pourrait être médiée par le système immunitaire: la radiothérapie produit des néo antigènes tumoraux susceptibles de stimuler la surveillance lymphocytaire T, qui est justement la cible des immunothérapies par inhibiteurs de checkpoint. Des expérimentations animales ont fourni les preuves de concept initiales il y a plusieurs années et depuis peu, des données cliniques s'accumulent progressivement et viennent étayer la faisabilité de cette combinaison.

Depuis les premières expériences sur l'immuno-radiothérapie, des questions récurrentes ont été soulevées sur le séquencement idéal entre les deux modalités et sur la manière d'administrer la radiothérapie (son fractionnement). Dans cette thèse, nous avons tenté de présenter une réponse par le biais de la modélisation mathématique, en cherchant à prolonger certains modèles de radiothérapie. Nous présentons deux articles présentant deux modèles adressant pour le premier les notions de séquencement et pour l'autre les questions de fractionnement de l'immuno-radiothérapie, qui sont reproduits dans le texte.

Dans ce manuscrit, nous introduisons également de manière plus pédagogique ces deux modèles et nous discutons de leur pertinence à la lumière de données cliniques récentes.

Nous débutons par une partie introductive consacrée aux notions fondamentales de cancérogenèse, afin de replacer la radiothérapie et l'immunothérapie en perspective et de mieux faire apprécier leurs limites. La radiothérapie est ensuite présentée avec son histoire, ses concepts physico-biologiques et ses techniques contemporaines d'administration. Le fonctionnement du système immunitaire et des immunothérapies anticancéreuses est présenté, ainsi qu'un état de l'art sur l'immuno-radiothérapie, avant d'aborder successivement les deux modèles.
Nous soutiendrons que ces deux modèles répondent au problème initialement posé et qu'ils présentent un intérêt conceptuel mais aussi pratique, puisque le deuxième modèle a été conçu comme un outil de fractionnement à l'usage de l'oncologue-radiothérapeute, simple à utiliser et constituant une extension utile du modèle de fractionnement utilisé actuellement.
# Etat des connaissances

## Place de la modélisation mathématique en médecine

### Définitions

La modélisation mathématique cherche à atteindre, par une ou plusieurs équations, une description simplifiée de la réalité afin, dans un premier temps, de décrire des phénomènes naturels observés, puis d'essayer de prédire la modification de ces phénomènes dans des conditions différentes. Pour atteindre cet objectif, elle repose sur des hypothèses de relations de causes à effet, simplifiées donc susceptibles d'erreurs et d' omissions, qui peuvent être volontaires (par choix de ne pas modéliser un phénomène non-pertinent) ou involontaires (par ignorance des phénomènes naturels ou par incapacité technique de les traduire en équations). La citation célèbre du statisticien George Box la résume ainsi: *"tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles"*.

Au sein de ces modélisations mathématiques, on distingue les modèles mécanistiques, phénoménologiques, statistiques, et l'intelligence artificielle. Ces approches ont chacune leurs forces et leurs faiblesses. On présente ici brièvement leurs caractéristiques principales et l'on donne quelques exemples pratiques.

### Modèles mécanistiques

Conceptuellement assez naturels, les modèles mécanistiques cherchent à décrire sinon tout, du moins un grand nombre de causes naturelles (observables ou non) afin d'obtenir une bonne capacité de prédiction au niveau du phénomène observé. En biologie, ces modèles sont populaires mais se heurtent à la difficulté d'obtenir des valeurs fiables pour leur grand nombre de paramètres. Ils peuvent cependant avoir une réelle valeur qualitative, et moins fréquemment quantitative, lorsque les paramètres ont pu être fixés à des valeurs suffisamment réalistes et si les données expérimentales sont abondantes.

### Modèles phénoménologiques

Les modèles phénoménologiques se veulent, en apparence, agnostiques quant aux causes profondes qui ont produit un certain phénomène, en revanche ils cherchent à décrire de manière quantitative ce phénomène, avec une grande économie de
paramètres, qui doivent tous être précisément identifiables grâce aux données
expérimentales. Traditionnellement, ces modèles sont l'apanage de la physique ou de la
chimie. Ainsi les lois de la gravité, de l'électromagnétisme ou de la relativité tiennent en
quelques lignes et leurs paramètres ont été identifiés avec une extrême précision. Les
prédictions obtenues avec ces modèles sont extrêmement précises. Ces modèles ne font
pas d'hypothèse sur le *pourquoi* des interactions, mais décrivent le *comment*, en utilisant
des objets mathématiques qui décrivent le phénomène, sans l'expliquer complètement.

Modèles statistiques

Leur usage est très fréquent en médecine. Les modèles statistiques servent à identifier des facteurs fortement associés à un évènement clinique (une durée de survie, un taux de réponse ou de complication). Comme les modèles phénoménologiques, ils ne décrivent pas des liens de cause à effet. Leur force est de mettre en lumière des facteurs fortement associés pour qu'un lien de cause à effet puisse être ultérieurement accepté ou rejeté. Leur simplicité d'utilisation vient du caractère stéréotypé des équations sur lesquelles ils reposent: par exemple, le logarithme de la probabilité de l'évènement d'intérêt sera une combinaison linéaire de facteurs explicatifs, dont les coefficients seront identifiés par une procédure d'estimation. Le choix du modèle se résume au choix des facteurs explicatifs.

Les modèles statistiques sont indispensables dans l'analyse des données cliniques. Ils permettent d'identifier des sous-groupes de patients bons ou mauvais répondeurs à un traitement et de générer des hypothèses de recherche.

Ils sont néanmoins trop simplistes pour décrire certains phénomènes, comme la
relation entre la dose d'un médicament, son taux plasmatique et ses effets, qui sont du
ressort de la *pharmacocinétique* et de la *pharmacodynamique*, reposant sur des modèles
*phénoménologiques* (à base d'équations différentielles). Par exemple, lorsque que l'on
analyse des données de toxicité chez des patients ayant consommé en une seule fois des
doses différentes d'un même médicament: un modèle *statistique* peut établir une
association entre la dose ingérée et la survenue de toxicité, mais il faut un modèle
pharmacocinétique et pharmacodynamique (de type *phénoménologique*) pour identifier
une nouvelle modalité de prise permettant de diminuer les toxicités, par exemple en
fractionnant la prise.
Ces techniques se distinguent des précédentes par leur capacité à sélectionner de manière *autonome* des facteurs prédictifs. Elles sont également agnostiques quant aux relations de cause à effet (comme les modèles *statistiques* et *phénoménologiques*), mais se distinguent car elles peuvent s'affranchir d'équations pour reposer, par exemple, sur un réseau dynamique de connecteurs logiques pouvant évoquer le fonctionnement du connectome cérébral (réseaux de neurones), mais aussi sur des algorithmes de classification (arbres, forêt aléatoires, plus proche voisin...) ou des algorithmes d'optimisation fondés sur des théories mathématiques (machines à vecteur de support, régressions linéaires ou logistiques "améliorées" comme les méthodes Lasso, Elastic Net... dont certaines sont aussi des méthodes statistiques). Leur force repose donc dans une certaine capacité d'imitation du raisonnement humain, mais se limite à identifier des associations d'évènements, sans posséder la logique pour rejeter les associations purement fortuites. Cependant, bien employées, éventuellement complétées par une expertise humaine capable d'un raisonnement élaboré, leurs potentialités sont énormes. Elles nécessitent cependant une grande quantité de données pour générer des prédictions robustes, aussi ne sont-elles pas toujours adaptées aux problèmes médicaux ou biologiques, où les séries sont souvent à petits effectifs. Mais la constitution progressive de larges bases de données cliniques permettra progressivement de contourner ces problèmes.

## Exemples de modélisations appliquées à l'oncologie

Nous citons à titre d'illustration un faible nombre de modèles mathématiques, sans aucune prétention à l'exhaustivité étant donné la masse et la variété des publications. Nous avons également privilégié des modèles dont nous serons amenés à parler dans la suite.

## Modèles mécanistiques

La radiothérapie prolongée est connue pour entraîner des lymphopénies parfois profondes, dont l'impact sur l'efficacité des immunothérapies n'est pas bien cerné. Les causes premières sont débattues (irradiation des lymphocytes circulants?) mais des travaux de modélisation récents apportent un éclairage nouveau. Jin et al (1) ont construit un modèle de circulation des lymphocytes dans les gros vaisseaux et différents
organes qui établit les contributions respectives des irradiations des différentes unités.
Le grand nombre de paramètres physiologiques, pour certains inobservables et fixés
arbitrairement, le classe parmi les modèles mécanistiques. Ses conclusions qualitatives
originales pourraient permettre aux oncologues-radiothérapeutes d'essayer des
stratégies d'irradiation permettant de limiter les lymphopénies. Il serait intéressant
d'explorer si des modèles statistiques confirment ces résultats (en cherchant des
associations entre la dosimétrie et les lymphopénies).

Modèles phénoménologiques

L'exemple canonique de modèle phénoménologique en radiobiologie, est le modèle
linéaire-quadratique, qui décrit la fraction survivante S de cellules irradiées par une
certaine dose D (Gy) de rayonnement ionisant: S = e<sup>-αD-βD<sup>2</sup></sup>, avec α et β deux constantes
positives que l'on peut estimer sur des données de survie in vitro, tandis que le rapport
α / β peut-être estimé sur des données in vivo. Si les causes de la mort cellulaire par les
rayonnements ionisants ne sont pas visibles dans cette équation, ce modèle demeure
fondamental en radiobiologie. Par exemple, il permet de savoir comment réduire le
nombre de fractions (hypofractionnement), en égalisant l'efficacité biologique de deux
schémas d'irradiation utilisant des doses et un nombre de fractions différents (en
écrivant la conservation de la grandeur S<sup>n</sup>, avec n le nombre de fractions). Ce modèle a
été souvent enrichi, notamment pour refléter le phénomène d'accélération de la
croissance de la tumeur au cours de l'irradiation (repopulation tumorale), sous
l'influence de Jack F. Fowler (2). Ce modèle a aidé à identifier des schémas de
fractionnement alternatifs (hypofractionnement et hyperfractionnement).

Des modèles phénoménologiques ont été développés pour modéliser l’effet des
chimiothérapies et rechercher des schémas d’administration sécurisés et efficaces. Cette
modélisation est plus complexe que celles de la radiothérapie, en raison de la
distribution systémique du traitement qui impose une modélisation pharmacocinétique
et de la difficulté à modéliser les toxicités (en particulier hématologiques) qui nécessite
une modélisation pharmacodynamique élaborée. L’essai clinique MODEL1 reste le
premier essai clinique réussi d’escalade de dose et d’intensification<fnref n="2" /> conduit par une

<footnote n="2">² intensification: signifie ici, le raccourcissement de l'intervalle de temps entre deux cures de chimiothérapie (deux semaines au lieu de trois semaines, dans cet exemple). Ce raccourcissement augmente la dose-intensité mais aussi le risque de toxicité hématologique grave.</footnote>
équipe de modélisateurs en interaction avec les investigateurs (3,4). Il faut souligner le
challenge, car ces deux classes de chimiothérapies étaient normalement utilisées
séquentiellement, en raison des toxicités. Si cette chimiothérapie n'a pas trouvé sa place
en clinique, la méthode générale développée à cette occasion a essaimé dans l'industrie
pharmaceutique et sert encore aujourd'hui à guider des essais cliniques pour des
molécules innovantes (5).

Modèles statistiques

Les études cliniques sont aujourd'hui publiées avec une analyse statistique comportant des outils familiers pour les médecins, comme les courbes de survie selon la méthode de Kaplan-Meier, le calcul des *hazard ratios* dans la méthode de régression de Cox, les intervalles de confiance et la valeur *p* du test statistique adéquat.

Nous évoquons plus en détail les modèles de Markov, globalement moins familiers des médecins, mais qui possèdent une capacité intéressante à générer des hypothèses nouvelles, à partir de données statistiques parfois bien connues.

Par exemple, dans le cancer du sein chez la femme âgée, il existe une tendance actuelle à la désescalade thérapeutique, le rationnel étant que plus une patiente est âgée, moins il est probable que les traitements aient un impact sur sa survie. Les deux traitements concernés par cette désescalade seraient a priori l'hormonothérapie longue ou la radiothérapie. Dans la majorité des essais en cours, la radiothérapie est supprimée tandis que l'hormonothérapie est maintenue. Ce déséquilibre pose question, car les effets secondaires de l'hormonothérapie ont un impact sur la qualité de vie, tandis que les progrès de la radiothérapie du sein ont fortement diminué ses effets indésirables (comme la toxicité cardiaque). Dans ce contexte, des micro-simulations basées sur un modèle de Markov ont ré-analysé les données d'essais cliniques ayant évalué l'effet de la radiothérapie et de l'hormonothérapie. Cette analyse a permis d'identifier un sous-groupe de patientes à bas-risque chez lesquelles la radiothérapie seule serait équivalente à une hormonothérapie longue (6). Ces modélisations fondent le rationnel de futurs essais cliniques prospectifs visant à valider l'omission de l'hormonothérapie et le maintien de la radiothérapie (7).

Machine learning
Domaine en ébullition, dont l'analyse d'image est un des domaines de prédilection. Les radiomics désignent des techniques d'analyse d'image automatiques, basées sur l'extraction de caractéristiques d'images de manière semi-autonome par un réseau de neurones, qui à l'issue d'un processus d'apprentissage supervisé, pose un diagnostic automatique. De nombreux projets sur l'analyse des images de scanner X sont en cours; les objectifs sont très ambitieux, comme par exemple prédire l'infiltration tumorale par le système immunitaire (8), ou bien émuler les résultats de la tomographie par émission de positons au PSMA dans le bilan du cancer de prostate (9). Initialement présentés comme des "boîtes noires" sous l'angle de leurs seuls résultats de classification, des progrès sont en cours dans l'explication des résultats de ces algorithmes et permettront un jour de mieux en cerner les forces ou les faiblesses et éventuellement de pouvoir les intégrer en pratique clinique.

## Synthèse

La modélisation en oncologie est présente sous de multiples formes, rend des services variés et parfois insoupçonnés. Elle peut donner à voir ce que l'esprit humain n'a pas clairement perçu (ainsi des microsimulations des modèles de Markov ou des radiomics en imagerie médicale), elle peut rendre possible ce qui ne l'est pas par les approches empiriques (ainsi des modèles de pharmacocinétique et pharmacodynamique ou PK-PD), elle peut parfois expliquer ce qui ne peut pas l'être autrement, faute de modèles animaux (ainsi de certains modèles mécanistiques).

La complexité de ces méthodes est variée: d'une équation tenant en une ligne à des algorithmes d'intelligence artificielle impossibles à décrire en langage naturel. Ce qui est simple est souvent plus répandu (exemple, le modèle linéaire quadratique connu de tous les oncologue-radiothérapeutes), mais ce qui est compliqué peut avoir une importance considérable dans des domaines spécialisés (comme la modélisation PK-PD). Il ne s'agit donc pas d'opposer les méthodes entre elles, mais de les utiliser en fonction des besoins.

Les travaux présentés dans cette thèse sont des variations et des extensions du modèle linéaire quadratique, ils visent à lui adjoindre une dimension immunologique qu'il ne possède pas actuellement; ces travaux sont donc essentiellement phénoménologiques mais on verra cependant qu'une part de leur inspiration est mécanistique. Nous espérons cependant qu'ils présentent une utilité et en particulier
qu'ils pourront guider des pratiques cliniques dans le domaine de
l'immuno-radiothérapie.

Avant d'entrer dans le sujet de la modélisation, on présente des notions importantes
sur la cancérogenèse, l'immunothérapie et la radiothérapie.
## Eléments de cancérogénèse

Dans cette section sont présentées quelques caractéristiques des tumeurs malignes. Le travail effectué est concentré sur les rôles de la radiothérapie et de l'immunothérapie, mais il ne doit pas éclipser la variété des mécanismes impliqués, qui ont une large part dans les résistances aux traitements. Si la capacité de multiplication "infinie" des cellules tumorales est connue et si leur échappement au système immunitaire est devenue une notion familière, il faut replacer ces caractéristiques dans un ensemble plus grand de piliers qui fondent la cancérogenèse et permettent de mieux comprendre les limites de chaque thérapeutique. Nous résumons certains éléments du célèbre article *Hallmarks of Cancer* de Hanahan et Weinberg (10). On verra en particulier le rôle favorisant du microenvironnement tumoral non seulement dans l'échappement immunitaire, mais dans plusieurs autres piliers de la cancérogenèse.

### Prolifération incontrôlée

Les cellules normales arrêtent de se diviser pour maintenir l'équilibre du tissu auquel elles appartiennent, mais les cellules cancéreuses sont capables d'une prolifération sans inhibition. La prolifération cellulaire est normalement dépendante de facteurs de croissance produits par des cellules qui "ressentent" la nécessité de croître en nombre et en taille pour assurer l'homéostasie de leur milieu, notamment grâce aux intégrines, protéines transmembranaires qui régissent les interactions entre la cellule et la matrice extracellulaire. Ces facteurs de croissance transitent par l'espace extracellulaire où ils peuvent être dégradés par des enzymes qui contrôlent leur disponibilité: le milieu extérieur à la cellule participe donc activement à cette homéostasie.

Les cellules tumorales ont plusieurs techniques pour échapper à cet équilibre: elles peuvent produire elle même le ligand du récepteur de facteur de croissance, elles peuvent exprimer un récepteur muté constitutivement activé (ou posséder une mutation activatrice à un autre niveau de la voie de signalisation), elles peuvent également influencer les cellules non-cancéreuses de leur voisinage pour que celles-ci produisent des facteurs de croissance. Le micro environnement tumoral joue donc aussi un rôle pro-mitotique.
## Echappement aux signaux inhibiteurs

Les gènes suppresseurs de tumeur peuvent interrompre la division cellulaire ou éventuellement induire la mort cellulaire: par exemple, la protéine RB (associée au rétinoblastome) réagit à des stimulis majoritairement extérieurs à la cellule pour bloquer les divisions, tandis que la protéine TP53 réagit à des signaux de stress cellulaire interne (des dommages dans l'ADN) pour faire entrer la cellule en mort programmée (apoptose). Il existe de nombreux gènes suppresseurs de tumeur, qui fonctionnent de manière redondante, de sorte que les mutations inactivatrices dans ces gènes ne produisent des cancers que relativement tard dans la vie d'un individu.

## Echappement à l'inhibition de contact

Les cellules normales cessent de se diviser lorsqu'elles entrent en contact entre elles, par un processus physiologique d'inhibition de contact. Il existe plusieurs mécanismes redondants, impliquant des protéines capables de détecter le contact avec des cellules voisines (par exemple, via les protéines E-cadherin) pour réprimer l'activité de récepteurs de facteurs de croissance (comme l'EGFR) ou de certains oncogènes (comme le gène Myc).

## Echappement à la mort cellulaire

### Résistance à l'apoptose

Les cellules cancéreuses peuvent résister à la mort cellulaire programmée, qui est normalement activée par des signaux de stress. Cette mort découle de l'activation d'une cascade de protéases (les *caspases*) qui vont “digérer” la cellule de l'intérieur et permettre sa phagocytose par les macrophages. L'activation des caspases est contrôlée par deux grandes voies de signalisation, l'une réagissant à des signaux externes à la cellule (voie Fas - RB), l'autre à des signaux internes variés, qui peuvent être des dommages dans l'ADN (voie TP53), un déficit en facteurs de survie ou de croissance (par exemple, en *interleukine 2* pour les lymphocytes T), ou à l'inverse excès de concentration de certaines protéines pro-mitotique (comme l'oncogène Myc). De cette diversité de mécanismes d'induction de l'apoptose découle une grande diversité dans les manières possibles de la contourner: la perte de fonction de TP53 est répandue dans certains cancers, mais de nombreuses autres mutations aboutissent aussi à l'échappement à l'apoptose.
## Autophagie et survie au stress cellulaire

Les cellules normales peuvent consommer certains de leurs constituants pour survivre en cas de pénurie de nutriments: l'autophagie permet à la cellule de consommer ses propres *ribosomes* et ses *mitochondries*. Ce processus probablement utile pour survivre à la dénutrition semble avoir été détourné par les cellules cancéreuses, non seulement pour permettre à des clones de survivre à des conditions de pénurie relative en nutriments (comme au sein d'un centre tumoral nécrotique), mais aussi pour survivre aux stress cellulaires induits par la radiothérapie et la chimiothérapie. L'autophagie induit une réduction de la taille de la cellule et l'entrée dans un état de d'hibernation dont elle sortira lorsque les conditions seront plus favorables, ce qui pourrait expliquer des récidives après un traitement cytotoxique apparemment efficace, même après disparition de toute trace radiologique ou biologique de la tumeur.

## Réplication cellulaire et télomérase

Les cellules normales doivent un jour cesser de se diviser (état de sénescence) ou bien mourir. Cette fin est retardée tant qu'il existe des **télomères** aux extrémités des chromosomes, ce qui empêche leur fusion par les bouts, puis une grande instabilité génétique et la mort cellulaire. Ces télomères, initialement nombreux, diminuent progressivement au cours des mitoses. Mais dans les cellules cancéreuses, une activité **télomérase** est très souvent présente, qui maintient le nombre des télomères, de sorte que la cellule cancéreuse est, sinon immortelle, du moins capable de se diviser à l'infini. Il est possible également que certaines cellules cancéreuses, bien que n'ayant pas d'activité télomérase, ont perdu tout contrôle de l'intégrité de leur génome et peuvent continuer à se diviser même avec des chromosomes fusionnés.

## Néo-angiogenèse

Dans les tissus normaux, l'angiogenèse est un processus *transitoire* (comme lors de l'organogénèse, ou lors d'un processus de cicatrisation). Mais dans les tumeurs, l'angiogenèse est *constamment* active. L'angiogenèse est stimulée ou inhibée par diverses molécules de signalisation, le facteur pro-angiogénique emblématique est le VEGF-A, mais il en existe d'autres (comme la famille du FGF ou fibroblast growth factor)
tandis que le facteur inhibiteur le plus important est le TSP-1 (thrombospondin-1) mais plusieurs autres inhibiteurs ont été identifiés (angiostatine, endostatine, etc). L'expression du VEGF est augmentée en condition d'hypoxie et par certains oncogènes. A la différence des vaisseaux normaux, la néo-vascularisation tumorale produite par un excès de stimulation pro-angiogénique est aberrante: elle présente un excès de bifurcations et un déficit de solidité, la rendant fuyante, ce qui augmente la pression interstitielle et diminue la diffusion des médicaments mais aussi le recrutement cellulaire dans le microenvironnement tumoral. L'angiogenèse semble être présente dès les premières phases de la cancérogenèse (on avait tendance à l'associer initialement aux grandes tumeurs bien établies). La production des facteurs pro-angiogéniques (VEGF, FGF) semble être en grande partie l'oeuvre de cellules non-cancéreuses, recrutées dans le micro-environnement tumoral, comme les macrophages, neutrophiles ou des progéniteurs myéloïdes.

Diffusion métastatique

Les cellules normales adhèrent entre elles et à la matrice extracellulaire grâce à des molécules d'adhésion (comme la E-cadherin pour l'adhésion cellule-cellule, tandis que le lien avec la matrice extracellulaire repose sur de nombreuses molécules, par exemple les intégrines). Dans les cellules tumorales, la perte de fonction ou d'expression des molécules d'adhésion coïncide avec l'acquisition d'un potentiel d'invasivité et de diffusion métastatique. La diffusion a lieu par voie préférentiellement lymphatique (carcinomes) et parfois directement hématogène (sarcomes), par un processus en plusieurs étapes commençant par la prolifération locale, puis l'échappement dans les lymphatiques ou les vaisseaux, l'extravasation vers des tissus distants, la formation de micrométastases puis l'étape finale de colonisation qui aboutit à des métastases établies et volumineuses, capables d'être à l'origine d'un prochain cycle de diffusion métastatique<fnref n="3" />. Ces différentes étapes sont possibles grâce à des gènes regroupés sous le terme de programme de transition épithélio-mésenchymateuse (TEM), un processus de l'embryogenèse dont les fonctions sont "détournées" par les cellules cancéreuses. Le micro-environnement tumoral participe également: des cellules souches

<footnote n="3">³ Ces métastases établies peuvent aussi servir de milieu d'accueil favorable à la colonisation par d'autres cellules métastatiques en provenance du primitif ou même d'autres sites métastatiques (11), probablement par l'intermédiaire de leur microenvironnement favorable.</footnote>
*mésenchymateuses* sécrètent des facteurs de transcription qui stimulent le caractère invasif des cellules tumorales, tandis que les macrophages associés à la tumeur (TAM) sécrètent des enzymes qui dégradent la matrice extracellulaire et la rendent plus perméable à la diffusion métastatique, ou encore produisent directement des facteurs de croissance (comme l'EGF) pour simuler la division des cellules tumorales. Le rôle facilitateur du micro-environnement tumoral pour la diffusion métastatique pourrait potentiellement relativiser le rôle des mutations somatiques tumorales: il n'existerait pas nécessairement de mutations spécifiques pour activer cette diffusion<fnref n="4" />.

L'étape de colonisation (de la micrométastase vers la macro métastase bien établie) n'est pas automatiquement enclenchée: les micrométastases peuvent entrer en période de dormance durant de très longues périodes (plusieurs années ou parfois plus d'une décennie) avant de progresser vers l'étape de colonisation (comme dans le cancer du sein ou de la prostate, où des récidives 10 ans après le traitement de la tumeur primitive sont non-exceptionnelles). Ces micrométastases peuvent aussi être réveillées de leur dormance peu après l'exérèse de la tumeur primitive, le mécanisme pouvant impliquer à la fois la disparition de facteurs inhibiteurs sécrétés par la tumeur primitive (thrombospondine, angiostatine, endostatine), ainsi que la production de facteurs de croissance lors de la cicatrisation post-opératoire<fnref n="5" />. Les mécanismes expliquant la colonisation, parfois très retardée, par des micrométastases sorties de leur dormance seraient multiples: fluctuations dans le niveau de contrôle immunitaire, activation tardive de l'angiogénèse, variations de la disponibilité de facteurs promoteurs ou inhibiteurs de croissance dans la matrice extra-cellulaire, plus grande disponibilité de nutriments. La colonisation de différents tissus implique a priori différents programmes génétiques et favorise également l'hétérogénéité clonale des métastases par rapport à la tumeur primitive, compliquant la stratégie thérapeutique en situation de récidive.

La dissémination de micrométastases peut parfois se produire dans des tumeurs n'ayant pas encore acquis les caractéristiques phénotypiques et génétiques de l'invasivité. Ainsi, la présence de micrométastases à une étape précoce est un

<footnote n="4">⁴ Les cas de récidives très tardive (au-delà de 8-10 ans) de cancer du sein ou de prostate de phénotype initialement favorable sont possiblement des exemples de diffusion métastatique précoce avant acquisition de phénotype invasif, médiée par le microenvironnement tumoral, suivie d'une dormance prolongée, puis d'une colonisation tardive pour des raisons inconnues.</footnote>

<footnote n="5">⁵ Le phénomène d'accélération métastatique post-opératoire demeure rare en clinique avec l'emploi des chimiothérapies adjuvantes dans les formes à haut risque de métastases occultes. En revanche, le risque est significatif en cas de sous-estimation initiale du fardeau tumoral et de l'absence de traitement systémique péri-opératoire.</footnote>
phénomène relativement fréquent, comme l'atteste la présence de cellules tumorales isolées et de micrométastases dans les ganglions sentinelles des cancers du sein localisés. Si les cellules tumorales isolées ne sont pas considérées comme cliniquement significatives, en revanche, la signification *clinique* des micrométastases est moins claire car les données scientifiques sont parfois contradictoires (12), aussi leur prise en charge peut différer selon les localisations et les *guidelines*.

Enfin, il est établi que les métastases établies peuvent à leur tour diffuser des métastases secondaires dans l'organisme, et que la tumeur primitive est un site privilégié pour accueillir le "retour" des cellules migrantes (11).

## Instabilité génétique et épigénétique

La progression depuis une cellule normale vers des cellules tumorales au potentiel de prolifération et d'invasivité croissant se déroule selon une suite de modifications génétiques ou épigénétiques (méthylation de l'ADN et modifications des histones), qui confèrent tout ou partie de ces caractéristiques fondamentales. L'intégrité de l'ADN est normalement conservée par un système de protéines spécialisées dans la surveillance et la réparation des anomalies génétiques, cependant cette capacité de réparation est saturable, en particulier en cas d'augmentation de la quantité de lésions (comme par exposition à des agents mutagènes) et de la vitesse de division cellulaire. De surcroît, l'acquisition de certaines mutations perturbe directement la maintenance du génome, comme la perte de fonctionnalité de la protéine TP53 qui empêche l'entrée en apoptose suite à la détection de dégâts non réparables de l'ADN, mais de nombreuses autres mutations inactivatrices affectent un ou plusieurs des sous-systèmes de réparation de l'ADN (on en dénombre six<fnref n="6" />). Les télomères jouent également un rôle double dans la protection de l'intégrité chromosomique mais aussi dans la limitation de la durée de vie des cellules.

Dans les cancers, si l'instabilité génétique permet *a minima* l'acquisition des caractéristiques d'une cellule maligne, elle se développe ensuite à des degrés variés selon le système de réparation touché, le type de cancer et d'un individu à l'autre. Par exemple, pour les anomalies de mésappariement (mismatch repair), connu pour être un facteur de bonne réponse aux immunothérapies, on ne détecte leur phénotype

<footnote n="6">⁶ Les six systèmes de réparation connus sont la réparation 1) directe, 2) par excision de base, 3) par excision de nucléotide, 4) par réparation des mésappariements (mismatch repair), 5) par jonction d'extrêmité non-homologues et 6) par recombinaison homologue.</footnote>
caractéristique (MSI-H) dans plus de 5% que pour certains cancers du spectre du syndrome Lynch (cancer de l'endomètre et colorectal principalement), tandis que ce phénotype peut être inférieur à 5% ou quasi-inexistant dans la grande majorité des autres cancers (environ 1-3% pour les cancers ORL, les adénocarcinomes pancréatiques ou les cholangiocarcinomes, par exemple) (13). Globalement, si une certaine instabilité génétique est fréquente, sa significativité clinique est variable et représente un important axe de recherche, détaillé dans la section sur l'immunothérapie.

## Inflammation et cancer

Toute tumeur solide est rapidement englobée dans un infiltrat de cellules non tumorales, dont la fonction est double: s'il s'agit initialement d'un infiltrat réactionnel visant à combattre les cellules tumorales, il a été supposé très tôt que cette inflammation pourrait, au bout d'un certain temps, favoriser la croissance tumorale: Rudolf Virchow en 1863 puis de nombreux auteurs ont documenté le lien entre un état d'inflammation chronique et le risque de néoplasie, dans les cancers cutanés (lien entre plaie chronique et cancer épidermoïde), gastriques (infection chronique à Helicobacter Pylori), hépatique (hépatites chroniques B et C et carcinome hépato-cellulaire), intestinales (maladie de Crohn et cancer colorectal, reflux gastro-oesophagien et adénocarcinome de l'oesophage), broncho-pulmonaire (bronchite chronique, silicose, asbestose et cancers du poumon), tandis que des hypothèses, actuellement moins étayées, ont été formulées pour une variété de néoplasies (comme l'adénocarcinome de prostate ou du pancréas) (14,15). On sait désormais que le microenvironnement tumoral inflammatoire sécrète des facteurs de croissance qui favorisent la survie tumorale, mais aussi des facteurs anti-apoptotiques, pro-angiogéniques, des enzymes modifiant la matrice extracellulaire et pouvant faciliter la diffusion métastatique et la transition épithélio-mésenchymateuse, ainsi que des agents mutagènes (comme les dérivés actifs de l'oxygène) qui peuvent augmenter l'instabilité génétique et favoriser l'acquisition de mutations activatrices.

Ainsi, l'inflammation chronique, qui ne débouche pas sur une réponse immunitaire anti-tumorale efficace, stimule la croissance tumorale, même si elle n'est pas la cause première de l'apparition d'une néoplasie.
Les cellules normales, dans des conditions normales d'oxygénation et d'apport en sucre, dégradent le glucose en pyruvate (glycolyse) ce qui produit une faible quantité d'énergie (sous forme d'ATP) puis métabolisent le pyruvate dans les mitochondries au cours du cycle de Krebs, en présence d'oxygène, ce qui produit du CO2 et une quantité d'énergie beaucoup plus importante (ratio d'ATP de 18:1 par rapport à la glycolyse). Les cellules tumorales, qui ont de plus grands besoins en énergie et doivent proliférer dans des tissus mal oxygénés à la néo-vascularisation anarchique, ont acquis la possibilité de modifier leur métabolisme pour tirer l'essentiel de leur énergie de la glycolyse, malgré son faible rendement en ATP. Ceci est réalisé en augmentant la captation du glucose, par exemple en surexprimant le récepteur GLUT1. Cette propriété est exploitée en imagerie diagnostique dans la TEP au 18-FDG: la séquestration intra-tumorale de glucose est suffisamment augmentée par rapport aux tissus normaux pour qu'il soit possible de visualiser directement des zones avides en injectant du glucose marqué par un isotope radioactif du Fluor. Cependant, cette reprogrammation du métabolisme n'est pas systématique et certaines tumeurs ne sont pas imagées correctement au 18-FDG (comme les tumeurs neuro-endocrines ou la majorité des adénocarcinomes de prostate, sauf les moins bien différenciés). De plus, il existe une hétérogénéité spatiale du métabolisme, avec certaines zones périphériques mieux perfusées continuant à utiliser le pyruvate et l'oxygène. Enfin, il existe possiblement une hétérogénéité temporelle avec des changements de régime entre l'un ou l'autre des métabolismes en fonction des contraintes énergétiques à un instant donné.

A ce jour, il n'existe pas d'intervention thérapeutique validée cherchant à exploiter la reprogrammation du métabolisme glucidique. L'utilisation du régime cétogène<fnref n="7" /> est une piste ancienne, explorée dans plusieurs essais cliniques, toujours en cours d'évaluation. Le caractère adaptatif du métabolisme tumoral placerait les interventions diététiques comme des options au sein d'une stratégie thérapeutique multimodale. Plusieurs essais en cours devraient permettre de clarifier ce point (16).

<footnote n="7">⁷ régime cétogène: basé sur des apports élevés en graisse, faibles ou très faibles en sucre (dans un ratio de 4:1 à 2:1 selon les auteurs), simule le métabolisme du jeûne (sans ses dangers) et pourrait créer un métabolisme défavorable à la croissance tumorale.</footnote>
## Echappement au système immunitaire

L'échappement au système immunitaire est le pilier émergent actuellement le plus exploré, par le nombre de molécules récemment autorisées et la masse des essais cliniques en cours. Ce travail lui consacre d'amples discussions. Cette revue générale des piliers de la cancérogénèse permet de mettre l'immunothérapie en perspective, en tant qu'une intervention thérapeutique adressant un pilier parmi d'autres. Elle permet de comprendre pourquoi les taux de réponse à l'immunothérapie en monothérapie sont relativement faibles et l'importance des combinaisons thérapeutiques.
# Radiothérapie: généralités

Dans cette section sont donnés quelques éléments (définitions, techniques, concepts physico-biologiques) permettant d'appréhender cette discipline vaste située à l'intersection de la physique et de la médecine.

## Rappels historiques

### Les fondateurs

#### Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923)

Il est le découvreur des rayons X, en 1895, lorsqu'il remarque qu'un papier recouvert d'un matériau fluorescent peut se mettre à briller, sous l'effet d'un courant électrique dans un tube à vide. Il nomme ce rayonnement inconnu "X". Il découvre que ces rayons peuvent traverser les tissus et les organes mais sont arrêtés par les métaux: les premières radiographies médicales sont nées, elles servent aux chirurgiens pour repérer et extraire des corps étrangers (comme les balles d'armes à feu). Des applications médicales, à visée de traitement, sont aussi rapidement tentées, par exemple en Dermatologie (pour le Lupus) et en cancérologie. Röntgen reçoit le prix Nobel de physique en 1901.

#### Antoine Henri Becquerel (1852-1908)

Becquerel est le découvreur de la radioactivité naturelle: il identifie le lien entre la phosphorescence de l'uranium et les rayons X, en montrant que l'uranium produit en fait des rayons X. Il découvre également que ces rayonnements sont ionisants et que leur trajectoire n'est pas forcément une ligne droite, mais qu'elle peut-être déviée grâce à un champ électromagnétique. Becquerel est lauréat du prix Nobel de physique en 1903 avec Marie et Pierre Curie.

#### Marie (1867-1934) et Pierre Curie (1859-1906)

Marie Curie travaille initialement sur les rayons de Becquerel comme thésarde dans son laboratoire. Elle montre que ce rayonnement est une propriété intrinsèque de la matière, qu'elle appelle radioactivité, puis en collaboration avec Pierre Curie, ils identifient un élément particulièrement radioactif: le polonium, puis un autre plus puissant, le radium-226. Les applications en oncologie du radium-226 commencent dès
1903 pour les cancers utérins et les cancers de la peau, à peine 8 ans après la découverte initiale de Röntgen. Les époux Curie reçoivent en 1903 le prix Nobel de Physique avec Henri Becquerel.

## Irène (1897-1956) et Frédéric Joliot-Curie (1900-1958)

Découvreurs de la radioactivité *artificielle*: la production d'isotopes radioactifs à partir d'atomes inactifs à l'état naturel, en les bombardant par des particules (1934). Ils imaginent la possibilité d'une réaction en chaîne et de leurs travaux naîtront des applications civiles et militaires: réacteurs à fission nucléaire et bombe atomique. Ils ont rendu possible la Médecine Nucléaire: la production et l'utilisation d'isotopes radioactifs à des fins d'imagerie diagnostique mais aussi de traitement.

## Premières applications médicales en oncologie

A la fin du 19e siècle, il n'existe aucune thérapeutique anticancéreuse reconnue hormis la chirurgie. Si l'immunothérapie naît théoriquement dans les années 1890, avec les premières tentatives du Dr William Coley pour soigner grâce au système immunitaire (en injectant des pathogènes vivants ou atténués en intra-tumoral), ces démarches restent confidentielles et suscitent un fort scepticisme. A partir de 1895, plusieurs médecins ayant appris la découverte de Röntgen essayent ces "rayons X" chez des patients inopérables: des effets temporaires mais positifs sont obtenus, sans qu'à l'époque le mécanisme d'action ne soit compris (la nature des rayons n'est d'ailleurs pas encore élucidée).

Les deux premières décennies du 20e siècle sont le théâtre de nombreuses expérimentations, notamment en France, comme à l'institut du Radium à Paris (le futur institut Curie). Dès 1906, *Claudius Régaud* étudie le dosage et le fractionnement de la radiothérapie. En 1922, des cas de rémission de cancers du larynx sont présentés à Paris par *Henri Coutard*, obtenus par radiothérapie *exclusive*, sans recours à une chirurgie délabrante: ce sont les premiers protocoles de *préservation laryngée*. Les effets secondaires ont été contrôlés par le fractionnement du traitement en l'étalant sur plusieurs semaines: une innovation majeure, toujours utilisée aujourd'hui.

Cent ans plus tard, la radiothérapie n'a eu de cesse de chercher à préserver les organes et d'éviter une exérèse chirurgicale hasardeuse ou délabrante. Cette bataille concerne de nombreux organes (sein, oesophage, rectum, canal anal, vessie, prostate...)
où la place de la chirurgie a reflué en partie pour céder la place à des opérations moins lourdes ou parfois à des stratégies de préservation non chirurgicales.

La *Curiethérapie* (ou *brachythérapie*) qui consiste à implanter des isotopes radioactifs en intra-tumoral, initialement avec le radium-226, est expérimentée dès 1903 à Paris. De nombreux isotopes radioactifs seront ensuite développés grâce aux travaux d'Irène et Frédéric Joliot-Curie et permettront de développer la technique. Les implants actuels sont temporaires et peuvent être mobilisés avec un *projecteur de sources*.

La radiothérapie de *contact*, développée par Jean Papillon à Lyon à partir des années 1950, utilise un applicateur endocavitaire pour traiter des tumeurs ano-rectales, chez des patients bien sélectionnés chez qui la chirurgie présente un risque opératoire trop important (17,18).

## Techniques de radiothérapie externe

### Accélérateurs linéaires (LINAC)

Ce sont les machines actuellement les plus répandues, le premier modèle est développé en 1953 à Londres puis à l'université Stanford. Leur principe consiste à accélérer des électrons, d'une manière bien plus sophistiquée que dans le tube à vide de Röntgen.

Dans un LINAC, un champ électromagnétique à fréquence micro-ondes (quelques Mhz) produit un champ électrique dans lequel des électrons sont injectés. Ces électrons sont entraînés par le champ électrique, soit dans la direction axiale de propagation du champ électrique (*traveling wave design*) soit dans la direction orthogonale si le champ électrique est réfléchi pour former une onde stationnaire: dans ce cas les électrons sont accélérés dans les zones d'interférences constructives (*standing wave design*). Les LINAC peuvent produire des électrons dont l'énergie varie entre 4 et 25 MeV. Ces électrons accélérés sortent par une fenêtre de 2 à 3 mm de large et peuvent être convertis en rayonnement de photons X, en les dirigeants sur une cible en métal qu'ils bombardent<fnref n="8" />: l'impact produit un rayonnement de freinage (*bremsstrahlung*) sous forme de photons X lorsque les électrons perdent leur énergie cinétique. Le spectre du rayonnement de freinage est continu.

<footnote n="8">⁸ On peut traiter directement le patient avec des électrons (ou un mélange de photons X et d'électrons), si sa tumeur est située sur la peau ou seulement quelques mm en dessous. Les électrons perdent plus rapidement leur énergie dans la matière que les photons.</footnote>
Le rayonnement de freinage n'est pas dirigé strictement en ligne droite, mais doit être dévié dans la direction longitudinale et son énergie doit également *homogénéisée*, par un filtre (*flattening filter*) qui peut être constitué de divers métaux en fonction de l'énergie du faisceau (plomb, tungstène, acier, aluminium).

Après être passé dans différents éléments, une partie du rayonnement a été absorbée, il faut mesurer l'énergie du rayonnement X dans une *chambre d'ionisation*. Dispositif classique pour mesurer la radioactivité, une chambre d'ionisation contient un gaz dont les molécules peuvent être ionisés lors du passage du rayonnement X: le comptage des molécules ionisées est effectuée grâce à la mesure du courant électrique qu'elles produisent lorsqu'elles traversent une anode et une cathode. La chambre d'ionisation permet de connaître le flux d'électrons généré, en *unités moniteur* (UM).

Les rayons X passent ensuite dans des *collimateurs multilames*. Leurs lames fines de quelques mm sont mobiles en permanence pour moduler leur temps d'ouverture et donc la dose. Aujourd'hui, la technique la plus répandue est l'arc-therapy (VMAT), où l'axe du rayonnement X décrit un cercle autour du patient, pendant que les lames du collimateur multilames bougent pour moduler la dose selon une quasi-infinité d'incidences. Ceci permet de délivrer une dose importante à la tumeur, tout en répartissant au maximum la dose aux organes à risque, augmentant ainsi la tolérabilité des traitements et permettant des escalades de dose.

Enfin, il faut savoir que les LINAC possèdent la capacité de réaliser de l'imagerie kilovoltage (kV-kV) et une acquisition scanographique (CBCT), grâce à leur source de rayonnement X. Cette imagerie embarquée est indispensable pour la radiothérapie moderne car elle permet le recalage précis de la cible, en comparant le scanner de traitement (CBCT) au scanner de planification.

On mentionne ensuite des machines un peu moins répandues mais très importantes en pratique clinique en raison de leurs caractéristiques techniques intéressantes.

## Tomothérapie

Un LINAC dans lequel le patient est translaté perpendiculairement à l'anneau de traitement. Le rayonnement X décrit donc une hélice autour du patient (au lieu d'un cercle), ce qui permet une très bonne conformation de la dose mais aussi de traiter sur de plus grands volumes.
## Cyberknife

Un accélérateur capable de traiter selon toutes les orientations, pour obtenir une excellente conformation de dose. Issu de l'évolution du gamma knife (une sphère composée de > 100 sources radioactives au Cobalt 60). Possède une capacité de suivi (tracking) automatique de la cible en temps réel, en comparant au scanner ou à l'IRM de planification sans intervention humaine, c'est un système de radiochirurgie robotisée.

## IRM-LINAC

Le Viewray est le premier LINAC avec guidage IRM. L'IRM embarquée permet de visualiser les tissus plus précisément que le scanner. Elle permet de s'affranchir du placement de repères fiduciaires, de traiter selon des volumes plus réduits. A mesure que la communauté des oncologues-radiothérapeutes prend conscience des possibilités de la radiothérapie adaptative, de plus en plus de centres s'équipent.

## Protonthérapie

L'utilisation des protons en radiothérapie est testée dès 1946, en raison de leur capacité à déposer leur énergie de manière plus focalisée que les photons: c'est le *pic de Bragg*, au-delà duquel l'énergie déposée par les protons est très faible. Cette propriété permet une meilleure épargne des tissus sains en arrière de la cible à traiter mais nécessite une précision meilleure encore dans la délinéation de la cible et l'administration du traitement. En France, seuls 3 centres sont équipés (Orsay, Nice, Caen). Cette technique nécessite un *cyclotron* ou un *synchrotron* pour la production et l'accélération des protons. Les protons sont accélérés à chaque passage dans un champ électrique, qu'ils traversent après chaque demi-cercle, obtenu grâce à un champ magnétique.

## La radiothérapie interne : Curiethérapie

### Définition et histoire de la Curiethérapie

La Curiethérapie (*brachythérapie* pour les anglo-saxons, du grec *brachy* : courte distance) consiste à placer des sources radioactives scellées au contact ou à l'intérieur de la tumeur. Cette technique permet d'obtenir une dose forte au sein de la cible avec une décroissance très rapide de la dose au-delà (variant comme l'inverse du carré de la distance, voir *dosimétrie*). La Curiethérapie permet donc une escalade de la dose tout en
épargnant les organes de voisinage. La conformité<fnref n="9" /> de la dose est excellente. Un placement très précis des sources radioactives est donc nécessaire pour éviter un sous-traitement d'une partie de la tumeur. Elle fut très largement employée après la découverte de la radioactivité naturelle, mais les améliorations progressives de la radiothérapie externe ont fait progressivement reculer la pratique dans la deuxième moitié du 20e siècle.

Si ses propriétés dosimétrique exceptionnelles l'ont sanctuarisée dans certaines indications (cancer du col utérin localement avancé, cancer de l'endomètre), elle est concurrencée par radiothérapie externe dans d'autres indications comme le cancer de la prostate, du sein, certains cancers ORL ou oesophagien, où son intérêt dosimétrique et médical est pourtant bien documenté. Paradoxalement, les pays avec un système de santé étatisé sont ceux où la Curiethérapie a le plus reculé, sous l'effet de remboursements insuffisants pour couvrir les frais (anesthésie, bloc opératoire, consommables, projecteurs de source, physiciens etc). Outre des moyens financiers et un plateau technique, elle nécessite une expertise, une formation spécifique, une appétence pour une technique de radiothérapie qui emprunte à la pratique chirurgicale et comporte des risques hémorragiques et infectieux.

## Terminologie et techniques de Curiethérapie

La technique d'insertion *intracavitaire* consiste à placer temporairement un applicateur de source radioactive à l'intérieur d'une cavité naturelle ou opératoire située proche de la tumeur. Cette technique est utilisée en gynécologie, dans le traitement adjuvant de certains cancers de l'endomètre (applicateur intra-vaginal: vise à éviter les récidives par extension de continuité au vagin), mais aussi dans certains cancers du sein (au sein de la cavité opératoire). Lorsque la cavité est naturelle (par opposition à chirurgicale), le terme plus spécifique d'insertion *intraluminale* est aussi employé.

La technique *interstitielle* consiste à implanter chirurgicalement plusieurs aiguilles creuses de petit diamètre au sein de la tumeur (ou d'organes de proximité si la tumeur a été enlevée chirurgicalement), ce qui permet le chargement ultérieur par des sources radioactives grâce à un système *projecteur* de source, *après* que l'opérateur et le

<footnote n="9">⁹ conformité de la dose: une mesure de l'adéquation entre la distribution de la dose et la géométrie de la cible traitée. Une conformité idéale est atteinte si une dose curative est administrée à la tumeur, tandis que les organes de voisinage ne reçoivent aucune dose. Ceci n'est jamais possible en pratique, mais les techniques de radiothérapie visent à maximiser la conformité de l'irradiation. Diverses formules mathématiques existent (les *indices de conformité*) pour une définition quantitative.</footnote>
personnel sont sortis du bloc opératoire, ce qui limite leur exposition radioactive (technique d'afterloading). Dans ce cas, les sources radioactives sont placées temporairement dans le patient et à l'issue du traitement, elles sont ramenées au sein du projecteur de source.

Il est également possible d'insérer des implants actifs permanents, ce qui nécessite une expertise pour procéder précisément et rapidement à leur insertion afin de limiter l'exposition du personnel soignant.

Les applicateurs de surface sont placés directement sur la peau où ils forment un petit réseau, en utilisant un projecteur de source identique qui permet l'afterloading.

## Principes physiques de la Curiethérapie

Les sources utilisées en Curiethérapie sont des isotopes radioactifs. Historiquement: le radium-226 (découvert par Marie Curie), abandonné depuis longtemps. Aujourd'hui, on utilise des isotopes plus pratiques, permettant de délivrer une activité importante dans de très petits volumes comme l'iridium-192, qui est adapté aux projecteurs de source, tandis que d'autres isotopes sont utilisés pour les implants permanents (iode-125).

La quantité de rayonnement ionisant dépend de plusieurs facteurs: la demi-vie (74 jours pour l'iridium-192) et donc l'âge de la source, l'activité (nombre de désintégrations par seconde) et l'énergie des différentes particules produites lors des désintégrations.

Le rayonnement produit est un mélange de particules élémentaires (rayonnement β et α), de photons de basse énergie et d'un rayonnement gamma (photons de haute énergie). La dosimétrie consiste à calculer la dose absorbée par les tissus au voisinage de la source. On suppose que la source émet des particules de manière isotrope en première approximation, ce qui cause une décroissance variant avec l'inverse du carré de la distance, cependant des corrections complexes sont utilisées dans les logiciels de planification. Des incertitudes existent sur le positionnement des aiguilles ou des implants, et sur la densité des tissus lorsqu'une planification ultrasonore est utilisée. Globalement, la Curiethérapie traite sur une profondeur réduite, comprise entre 3mm et 2 cm.

## Débits de dose en Curiethérapie

Il existe trois grandes catégories de Curiethérapie, classées par débit de dose:
* à bas débit (LDR: Low Dose Rate), représentée par les implants permanents; le bas débit de dose correspond à une plage de 0.4 à 2 Gy / h. La grande majorité des données cliniques ont été établies avec du bas débit;

* à moyen débit (MDR: Medium Dose Rate): de 2 à 12 Gy/h;

* à haut débit (HDR: High Dose Rate): supérieur à 12 Gy /h.

On parle de Curiethérapie à débit de dose pulsé (PDR: Pulsed Dose Rate) lorsque qu'une source à haut débit (HDR) délivre plusieurs doses de courte durée, séparées par un intervalle de temps afin de reproduire un bas ou moyen débit de dose à partir d'une source à haut débit. La définition de l'unité de dose utilisée (ici le Gy: *gray*) est donnée dans la section suivante.

## La dose en radiothérapie

On verra plus loin que la dose absorbée est fortement liée à la probabilité de contrôle tumorale et aux effets secondaires. Dans un service de radiothérapie, le rôle des physiciens et des dosiméristes est d'assurer que la dose prescrite par l'oncologue-radiothérapeute est délivrée correctement par la machine de traitement: en bonne "quantité" et au bon endroit. Il faut donc savoir définir quantitativement une dose absorbée, on présente donc brièvement le système d'unités avec la signification physique des grandeurs associées.

## Le Gray

Dans un service de radiothérapie aujourd'hui, la dose est exprimée en Gray (Gy), avec par définition: **1 Gy = 1 Joule / kg**. Avec par définition 1 Joule = 1 N m.

Le *gray* mesure une énergie absorbée par le tissu. Les électrons créés par le rayonnement ionisant vont perdre leur énergie cinétique dans le milieu avec lequel ils interagissent. C'est ce transfert d'énergie cinétique qui permet de définir une quantité d'énergie absorbée. Avant d'être complètement stoppés, les électrons parcourent une certaine distance (qui dépend du milieu): leur énergie n'est donc pas libérée ponctuellement, mais au distribuée sur le trajet qu'ils parcourent. A l'échelle macroscopique, celà se traduit par une zone de *buildup*, présente sur les premiers mm dans le milieu, dans lequel l'énergie déposée est très faible. Puis, plus loin dans le milieu (après la profondeur de *buildup*), un équilibre électronique s'établit et l'énergie absorbée se stabilise.
Si idéalement, l'énergie déposée devrait être mesurée directement par calorimétrie, ceci est particulièrement complexe. En pratique, on utilise une chambre d'ionisation (ou *fantôme*), puis des facteurs multiplicatifs sont appliqués pour obtenir une énergie absorbée en Gy. D'autres méthodes de dosimétrie existent, comme la dosimétrie par film, qui rappelle l'expérience de Roentgen en 1895: l'énergie absorbée est estimée d'après le degré de noircissement sur un film photographique. D'autres méthodes exploitent la thermoluminescence de certains cristaux, qui transforment l'énergie absorbée en lumière, il existe également des méthodes utilisant des semi-conducteurs, ou des gels polymères...en pratique courante cependant, les *fantômes* sont les plus répandus.

### Les mesures d'activité: curie, becquerel

Le *curie* et le *becquerel* (unité du SI) quantifient des désintégrations par unité de temps<fnref n="10" />. Ce sont des *activités qui* quantifient la *radioactivité*, elles sont donc beaucoup utilisées en médecine nucléaire, mais ne sont pas adaptées à la radiothérapie externe.

En Curiethérapie on utilise des implants d'isotopes radioactifs dont les désintégrations émettent, en sus d'autres particules, un rayonnement gamma, dont l'activité est mesurée en nombre de désintégrations par unité de temps.

Comme la radiothérapie externe et la Curiethérapie sont fréquemment utilisées en combinaison, leurs doses doivent être exprimées dans la même unité. Ainsi, les prescriptions de dose en Curiethérapie sont effectuées en *Gray*. Ces expositions sont converties pour spécifier le plan de Curiethérapie. On entrevoit donc la complexité que cachent des prescriptions de radiothérapie d'apparence simple, exprimées dans une unité, le *gray*, d'apparence familière à l'oncologue-radiothérapeute.

### Mesure de dose efficace: Sievert

On rappelle l'existence d'une unité de dose *efficace*: le *Sievert*. Dans la même unité que le *gray* (Joules/kg), elle dépend d'un type de rayonnement et d'un tissu, on l'utilise en radioprotection. On l'obtient en multipliant l'exposition en *gray* par un facteur de correction propre à l'espèce animale et éventuellement à l'organe d'intérêt. Elle est utile pour quantifier des risques graves (exemple: décès par syndrome d'irradiation aiguë).

<footnote n="10">¹⁰ 1 curie (Ci) = le nombre de désintegration d'un gramme de radium-226 pendant 1 seconde.
1 becquerel (Bq) = une désintegration par seconde. 1 Bq = 2.7 x 10⁻¹¹ Ci.</footnote>
Le sievert n'est pas utilisé en radiothérapie car les effets biologiques sont estimés directement à partir de l'exposition en gray, organe par organe.

## Quelques paramètres de dosimétrie en radiothérapie externe

On présente quelques paramètres de dosimétrie utiles à connaître pour l'oncologue-radiothérapeute. D'autres paramètres existent mais sont plutôt du domaine des physiciens (comme par exemple ceux décrivant la plus ou moins grande homogénéité du faisceau).

## Percentage Depth Dose ou rendement en profondeur

Mesure la dose absorbée en fonction de la profondeur traversée dans un milieu. Exprimé en pourcentage d'une dose maximale exprimée à un point de référence situé à une certaine distance de la source de rayons X. C'est une fonction de plusieurs variables, et entre autres la profondeur. Elle est initialement croissante, sur la profondeur de build-up, puis devient décroissante plus ou moins rapidement. Elle dépend aussi de l'énergie des photons incidents: plus celle-ci est élevée, plus la PDD est élevée aux différentes profondeurs. Elle dépend aussi de la taille du champ utilisé (la PDD augmente avec la taille du champ).

## Output Factor ou facteur d'ouverture collimateur (FOC)

Pour un champ d'une taille quelconque, c'est le ratio entre le débit de dose à la profondeur où l'énergie absorbée est maximale, divisé par le débit de dose d'un champ de traitement d'une taille égale à 10cm x 10cm. L'output factor vaut toujours moins de 1 lorsque le champ de traitement est plus petit que 10cm x 10cm. Il faut savoir que l'output factor diminue très fortement pour des petits champs en dessous de 4 cm x 4 cm. Cette diminution dépend de plusieurs facteurs, elle est complexe à quantifier de manière précise et ne peut pas être estimée avec une précision suffisante pour des champs inférieurs à 3 cm: les champs de taille inférieure doivent être traités en stéréotaxie.
## Relations entre dose, efficacité et toxicité

On présente ici un résumé des effets radiobiologiques des rayonnements ionisants sur les tumeurs et les organes sains. On se limite à la radiobiologie de la radiothérapie externe.

## Tissus à réponse (ou prolifération) rapide ou lente

Les tissus à prolifération rapide sont la tumeur et certains organes à renouvellement rapide, comme la peau, les muqueuses, l'intestin, la moëlle hématopoïétique. La durée de vie de ces cellules va de plusieurs jours à quelques semaines au maximum.

Les tissus à prolifération lente sont tous les autres organes. La durée de vie de leurs cellules peut être de plusieurs mois, parfois des années.

Une fraction des cellules est stérilisée après une irradiation, mais cette fraction ne meurt pas immédiatement: la mort cellulaire survient lors de la prochaine tentative de mitose (ou après quelques tentatives de mitoses entraînant des aberrations chromosomiques). Aucune réaction adverse ni repopulation ne se passe avant.

Les tissus à prolifération rapide donnent lieu aux réactions aiguës, dans les premières semaines avant l'irradiation (par convention, avant 3 mois) tandis que les tissus à prolifération lente peuvent subir des effets secondaires tardifs parfois des années après l'irradiation.

Une prolifération réparatrice survient donc au bout de quelques semaines de traitement (généralement dès la 2ème ou 3ème semaine) dans les tissus à renouvellement rapide, dits aussi à réponse rapide. Pour faciliter cette réparation et augmenter la tolérance, il faut augmenter l'étalement (durée totale) du traitement en diminuant la dose par fraction.

Pour les traitements dont la durée totale ne dépasse pas 2 ou 3 semaines, pratiquement aucune réaction aiguë n'a lieu pendant le traitement, la grande majorité survient après: augmenter la durée totale ne diminue alors pas les toxicités aiguës.

Les réactions aiguës sont aggravées par des doses par fraction plus élevées, mais dans des proportions moindres que les réactions tardives.

Les complications tardives sont assez fortement dépendantes de la dose par fraction, elles ne sont pas modifiées par la durée totale du traitement. Classiquement, elles sont diminuées par un intervalle de temps entre fractions supérieur à 6h (durée minimum pour une réparation des dégâts dans l'ADN), quand la dose par fraction est inférieure à 2
Gy, mais pour de plus fortes doses par fraction, cet intervalle doit être augmenté à 12 ou 18h et peut largement dépasser 24h en conditions stéréotaxiques.

Les complications sont aussi fortement dépendantes des volumes irradiés, pour les organes dits en parallèle: ceux qui sont composés d'unités fonctionnelles distinctes et qui peuvent fonctionner tant que suffisamment d'unités fonctionnelles sont opérationnelles (poumon, foie, rein, tube digestif, muqueuses). Pour les organes dits en série, la destruction de quelques unités fonctionnelles peut entraîner la perte de fonction (moëlle épinière). Certains organes ne sont pas classables dans l'une ou l'autre des catégories, comme le cœur, dont le myocarde est un organe parallèle, mais dont le système nerveux (responsable de la conduction) et les artères coronaires sont des organes en série.

## Le modèle linéaire-quadratique (LQ)

La dose par fraction la plus couramment employée en radiothérapie externe, 2 Gy, stérilise environ 50% des cellules tumorales, sauf pour des cancers plus radiorésistants (glioblastome, mélanome, carcinome rénal, certains sarcomes).

Plus formellement, on estime que la fraction survivante S après une dose D (Gy) de radiothérapie, est donnée par l'équation:

$$log_e S = - \alpha D - \beta D^2$$

Dans laquelle $\alpha$ représente la partie linéaire de la mort cellulaire et $\beta$ la partie quadratique. On interprète ces deux paramètres en distinguant deux types de dommages différents:

$\alpha$ représente des dégâts *irréparables*, tandis que $\beta$ représente les dégâts potentiellement *réparables* (cette réparabilité dépend de la nature des lésions, de leur nombre, de leur répartition plus ou moins groupée dans l'ADN et du temps laissé entre deux fractions pour réparer, ce qui rend complexe les interprétations mécanistiques du modèle LQ).

En effet, si l'on diminue la dose par fraction par 2, la composante linéaire est divisée par 2 tandis que la composante quadratique est divisée par 4. Si l'on double le nombre total de séance pour rétablir la même dose totale (tout en laissant au minimum 6h entre chaque séance pour permettre la réparation de l'ADN), la composante linéaire revient à
la valeur initiale mais la composante quadratique demeure divisée par 2: la composante linéaire représente donc des dégâts non diminués par le fractionnement.

Il s'agit en fait d'un modèle phénoménologique: les interprétations sur la nature exacte des dégâts cellulaires sont intéressantes pour discuter la validité du modèle mais leur connaissance n'est pas nécessaire pour l'utilisation du modèle.

Le modèle LQ est probablement faux aux très basses doses (inférieures à 0.2 Gy): certaines cellules pourraient être fortement sensibles à de faibles doses, du moins dans des modèles animaux (poumon, rein) (19). La courbe de survie de ces cellules serait de plus pratiquement plate de 0.2 à 1 Gy. Ceci relativise l'intérêt des interprétations mécanistiques trop poussées du modèle LQ. On se contentera de considérer qu'il décrit correctement les données au-delà de 1 Gy et jusqu'à environ 6 Gy par fraction, puis son réalisme diminue progressivement, possiblement à cause d'effets biologiques spécifiques aux hautes doses (comme des dégâts vasculaires).

Le ratio α / β est homogène à une dose (Gy) et représente la dose par fraction pour laquelle les deux composantes contribuent également à la mort cellulaire. Pour de nombreuses tumeurs, on estime que α / β vaut environ 10 Gy, tandis que certaines ont des α / β nettement inférieurs, comme des adénocarcinomes (prostate, sein), ou le mélanome.

On a mentionné que les tissus à réponse lente sont plus sensibles à la dose par
fraction que les tissus à réponse rapide et les tumeurs. Ceci est décrit par un ratio α / β
plus faible pour les tissus à réponse lente (donc un β plus fort et une composante
quadratique plus importante). Cette propriété peut être mise à profit en fractionnant le
traitement et en le prolongeant sur plusieurs semaines: ceci permet de protéger les
tissus à réponse lente tout en délivrant une dose totale tumoricide (le premier à l'avoir
démontré en clinique est Henri Coutard en 1922, pour le traitement des cancers du
Larynx par radiothérapie exclusive).

Ainsi, pour l'adénocarcinome mammaire, le α / β tumoral a été estimé à 3.7 Gy tandis que pour les effets tardifs, le α / β a été estimé entre 1.7 Gy et 2.3 Gy, soit moitié moins. Ces estimations ont été réalisées en comparant efficacité et toxicité tardive dans un essai randomisé testant 2 fractionnements, l'un avec 2.7 Gy/fraction, l'autre avec 5.2 Gy/fraction (20). Cette valeur de α / β pour les effets tardifs tend à indiquer que l'augmentation des effets secondaires pourrait être rapide au-delà des 5.2 Gy/fraction,
sauf à diminuer fortement les volumes irradiés (avec une irradiation partielle en stéréotaxie ou en Curiethérapie).

Avec cette formulation du modèle LQ, on peut évaluer les effets de deux schémas de fractionnement en comparant les fractions survivantes. Par exemple, deux fractionnements A et B sont équivalents si et seulement si leurs fractions survivantes sont égales:

$$ \alpha n_a D_a + \beta n_a D_a^2 = \alpha n_b D_b + \beta n_b D_b^2 $$

Avec $n$ et $D$ dénotant les nombres de séances et la dose par fraction respective. On peut diviser par $\alpha$ chaque terme de l'équation et on voit que seul le ratio $\alpha / \beta$ importe pour comparer deux fractionnements.

## Modèle LQ et doses équivalentes: EQD2 et BED

Ainsi, grâce au modèle LQ, on peut facilement exprimer l'efficacité d'un schéma de radiothérapie selon un schéma qui serait administré avec 2 Gy par fraction (la dose par fraction la plus courante). Cette dose équivalente est notée EQD2, elle vaut:

$$ EQD2_{\alpha/\beta} = \frac{nD\left(1+\frac{\beta}{\alpha}D\right)}{\left(1+\frac{\beta}{\alpha}2\right)} $$

Par exemple, si $\alpha / \beta = 10$ (tissu à réaction rapide), une dose totale de 60 Gy en 20 fractions (3 Gy par fraction) a les mêmes effets biologiques qu'une dose de 65 Gy en 2 Gy par fraction (car 60 x 1.3/1.2 = 65). Mais pour un cancer de la prostate avec $\alpha / \beta = 3$, elle a les mêmes effets biologiques qu'une dose de 72 Gy en 2 Gy par fraction (car 60 x 2/1.66 = 72).

Pour l'oncologue-radiothérapeute qui a une grande expérience des traitements normofractionnés en 2 Gy par fraction, la dose équivalente EQD2 est très parlante.

Il existe une autre dose équivalente, la BED (Dose Biologique Efficace), à la définition plus abstraite, que l'on doit à John F. Fowler : c'est la dose équivalente si le traitement pouvait être administré de manière infiniment lente (ou fractionnée en très petites doses par fraction) qui permettrait de réparer toutes les lésions réparables. Dans cette hypothèse le terme quadratique (en $\beta$) disparaît. La formule de la BED vaut donc:

$$ BED_{\frac{\alpha}{\beta}} = nD \left(1 + \frac{\beta}{\alpha}D\right) $$
C'est donc simplement le numérateur de la formule de l'EQD2, elle est mathématiquement très simple, mais moins naturelle pour beaucoup de praticiens. Elle est cependant très utilisée dans les publications.

## Facteur temps et modèle LQ

Le facteur temps n'apparaît pas dans la formulation précédente. Ceci cache des hypothèses implicites.

Le modèle LQ suppose que chaque fraction est séparée de la suivante par un temps minimum permettant de réparer les dégâts dans l'ADN (de sorte que les paramètres de radio sensitivité puissent être constants dans le temps). En pratique, on considère qu'il faut au moins 6 heures, et plus probablement entre 12 et 18h lorsque des doses par fraction importantes sont utilisées<fnref n="11" />.

Le modèle ne précise pas le débit de dose utilisé pour l'irradiation. Implicitement, il correspond aux débits de dose usuels en radiothérapie externe, où on délivre 2 Gy en 1 à 2 minutes. Cependant, la fraction survivante augmente quand le débit de dose diminue (les dégâts réparables sont plus souvent réparés), d'autant plus que la dose par fraction est élevée et que la proportion de dégâts réparables est importante (β grand donc $α / β$ petit, donc pour les tissus à réaction lente, les adénocarcinomes et les tumeurs avec $α / β$ faible) (21). Cet effet devient significatif pour les très hautes doses de radiothérapie externe (stéréotaxie) et la curiethérapie en haut débit de dose (éventuellement pulsée). Si des approches pragmatiques sont possibles (augmenter $α / β$ pour des doses > 6 Gy, comme recommandé par John F. Fowler), il a été proposé des généralisations du modèle LQ assez élaborées, censées être valables pour tout débit de dose et toute dose par fraction, mais la complexité mathématique s'en trouve fortement accrue, comme par exemple la formule proposée par Wang et al (22).

La formulation suppose que la croissance tumorale reste constante au cours de la durée du traitement, qui s'étale sur quelques jours (pour la radiothérapie stéréotaxique) ou sur plusieurs semaines pour la radiothérapie classique (4 semaines pour la prostate, 6.5 semaines pour l'ORL, 3-4 semaines pour le cancer du sein). Cependant il existe une

<footnote n="11">¹¹ Le bi-fractionnement (2 doses dans la journée séparée d'au moins 6h) est bien toléré quand les doses sont inférieures à 2 Gy par fraction. En revanche, les essais de bi-fractionnement pour des doses supérieures ont montré des toxicités importantes, atténuées lorsque la dose est délivrée toutes les 18-24h.</footnote>
accélération de la croissance tumorale au bout de quelques semaines de traitement: la *repopulation accélérée*.

Avant tout traitement, le temps de doublement d'une tumeur est souvent de l'ordre de quelques mois. En revanche, son temps de doublement *potentiel* (Tpot) est beaucoup plus court (quelques jours). Le temps de doublement *potentiel* est estimé en divisant la durée du cycle cellulaire par la proportion de cellules en prolifération. Ainsi, si une cellule tumorale se divise en 6 heures, mais que "seulement" 15% des cellules prolifèrent, la tumeur double de taille en 6 / 0.15 = 40 heures<fnref n="12" />. Cependant, en raison d'une inadéquation entre les apports vasculaires et les besoins pour maintenir ce taux élevé de doublement, la très grande majorité des cellules tumorales meurt par apoptose (jusqu'à près de 99%), surtout au coeur de la tumeur loin de la néovascularisation tumorale périphérique. Ainsi, si 95% des cellules meurent, le temps de doublement devient 40 / 0.05 = 800 heures, soit environ 1 mois.

Après un certain nombre de séances de radiothérapie, la diminution de la densité de cellules diminue la pénurie de ressources ainsi que le taux de perte spontané. En conséquence, le temps de doublement diminue fortement pour se rapprocher du temps de doublement potentiel Tpot.

On estime que le moment où cette accélération débute peut être aussi court que 1 à 2 semaines après le début du traitement, ou survenir jusqu'à la 4e semaine (2,23).

En conséquence, le modèle LQ peut nécessiter des adaptations pour des traitements prolongés, dont l'étalement dépasse une durée de *kick-off*, notée Tk. Une adaptation du modèle consiste à supposer que, au-delà de Tk, le temps de doublement effectif prend une valeur Teff généralement légèrement supérieure ou égale à Tpot. Les valeurs expérimentales de Tpot varient d'un facteur 10 selon les tumeurs, typiquement entre 2 et 25 jours, avec une médiane de 5 jours. On peut choisir une valeur proche de la médiane Teff = Tpot = 5 jours.

Le modèle LQ devient alors, pour T > Tk:

$$log_e S = - \alpha D - \beta D^2 + log_e 2 \left( \frac{T-T_k}{T_{eff}} \right)$$

<footnote n="12">¹² Ce calcul suppose que 15% des cellules doublent en 6h, puis que les cellules ainsi créées arrêtent de cycler (entrée en phase G0), puis 6h passent pour que 15% d'autres cellules doublent à leur tour, etc. Il faut donc 6 / 0.15 = 40h pour que toutes les cellules aient doublé. Ce calcul suppose que la proportion de cellules en cycle est constante, donc que les cellules cancéreuses sont homogènes. On peut évidemment imaginer des modèles plus complexes avec de l'hétérogénéité tumorale.</footnote>
L'efficacité du traitement diminue donc fortement après que la repopulation a commencé. Si une dose par fraction de 2 Gy tue 50% des cellules et que le temps de doublement Teff est de 7 jours, on voit qu'il faut un supplément de dose de 2 Gy par semaine pour compenser la repopulation accélérée. Si la repopulation commence trop tôt, ou que Teff est trop court, la dose nécessaire peut être impossible à délivrer et aucun contrôle tumoral n'est possible.

## Limites du facteur temps dans le modèle LQ

Cependant, même si l'on pourrait mesurer le temps de doublement potentiel Tpot chez un patient, sa valeur prédictive sur le contrôle local n'a jamais pu être établie. Il n'est pas certain que cette grandeur et les autres paramètres (α, β) soient stables dans le temps<fnref n="13" />, ni que leur estimation ponctuelle par biopsie soit suffisamment fiable. Il est également probable que d'autres paramètres soient également à prendre en compte et que ceci ait pu obscurcir le rôle du Tpot, surtout dans des séries rétrospectives. Après plusieurs résultats décevants, comme ceux de l'institut Gustave Roussy (24), l'intérêt pour la mesure de Tpot a disparu. Ce concept garde probablement une validité d'ordre général et met en garde l'oncologue-radiothérapeute contre les interruptions et les allongements de l'étalement du traitement, dont l'effet délétère a été prouvé (25). Sa pertinence est également à relativiser dans le contexte actuel de traitements hypo fractionnés dont l'étalement ne dépasse pas 3 à 4 semaines (sein, prostate).

Les recherches actuelles s'orientent plutôt vers des agents radiosensibilisants (26) pour augmenter globalement la radiosensibilité de tous les patients.

On peut également se demander si la repopulation accélérée, le temps de kick off, le Tpot ont toujours une signification en radiothérapie stéréotaxique où le traitement ne dure que quelques séances. De plus, la stéréotaxie utilise de fortes doses par fractions, et une partie de son efficacité pourrait résulter d'une "nouvelle radiobiologie" impliquant en particulier des *dégâts vasculaires*: se pourrait-il que ces dégâts vasculaires limitent le phénomène de repopulation tumorale (puisqu'elle serait liée à une meilleure perfusion) ? Des compléments de dose en stéréotaxie pourraient-ils aider à lutter contre la repopulation tumorale (sous réserve d'une méthode de sélection des patients encore à définir)?

<footnote n="13">¹³ Il est possible que la radiosensibilité de la tumeur augmente à mesure que son volume réduit, du fait d'une meilleure oxygénation (hypothèse de sensibilisation par l'irradiation de Bergonié). Ceci pourrait s'opposer à l'effet de la repopulation accélérée donc diminuer l'importance du Tpot.</footnote>
En pratique, le modèle LQ est souvent utilisé dans sa forme la plus simple sans prise en compte du facteur temps. Ceci ne doit pas faire oublier l'existence de la repopulation accélérée et son lien avec l'étalement du traitement (ou éventuellement avec la réduction du nombre de cellules tumorales).

## Mécanismes d'efficacité de la radiothérapie

### Radiobiologie "classique": les 4 Rs

La forme simple du modèle LQ ne dispense pas l'oncologue-radiothérapeute de chercher à connaître les mécanismes moléculaires et biologiques de la radiothérapie. En effet, si l'on peut "faire de la radiothérapie" en utilisant le modèle LQ, dès que l'on aborde le domaine de la recherche, les limites de validité du formalisme peuvent être rapidement franchies: doses par fraction élevées (> 6-8 Gy), nouveaux agents radiosensibilisants ou radioprotecteurs, combinaisons avec des thérapies nouvelles ciblant des voies de signalisation cellulaire et de nombreuses autres situations innovantes sont "hors modèle", l'oncologue-radiothérapeute doit alors connaître les mécanismes fondamentaux pour s'orienter.

### Redistribution dans le cycle cellulaire après irradiation

Les cellules sont plus ou moins radiosensibles selon leur position dans le cycle cellulaire. Le cycle cellulaire voit se succéder les phases M (mitose), G1 (croissance, synthèse des acides aminés, sortie éventuelle du cycle vers la dormance, notée G0), S (synthèse de l'ADN), G2 (synthèse des protéines et organelles) puis à nouveau M, etc. Les phases G1, S sont moins radiosensibles que les phases G2, M. Aussi, une irradiation tend à sélectionner des cellules en phase G1, S (radiorésistantes). Il est donc théoriquement bénéfique d'attendre plusieurs heures avant la prochaine irradiation pour que ces cellules se distribuent dans les phases plus radiosensibles. La réalité est plus complexe: les tumeurs peuvent se régénérer à partir de cellules en G0 qui ne cyclent pas. Il est possible que les irradiations répétées finissent par tuer suffisamment de cellules tumorales pour que les cellules en G0 se remettent en cycle et deviennent radiosensibles. Au final, il n'existe pas d'intervalle de temps particulièrement "optimal" entre deux fractions pour tirer parti du phénomène de redistribution dans le cycle cellulaire.
## Rôle de l'oxygène et ré-oxygénation

Dès le début du 20ème siècle on découvre que les tissus mal perfusés sont moins touchés par les effets des rayonnements ionisants. On démontre dans les années 1950 que l'oxygène est un agent radiosensibilisant, du fait de sa forte affinité électronique. Le ratio de la dose pour produire le même effet biologique dans un tissu hypoxique que dans un tissu normoxique est de l'ordre de 3 (OER: Oxygen Enhancement Ratio). Le rôle délétère de l'anémie a été démontré dans la radiothérapie des cancers ORL. Des agents radiosensibilisants ont été développés pour imiter les propriétés de l'oxygène mais avec une meilleure pharmacocinétique (classe des imidazolés, dont le très connu **métronidazole**, également un antibiotique et antiparasitaire).

La radiothérapie a possiblement des effets vasculaires par destruction des cellules endothéliales mais son effet net est difficile à prédire: hypoxie transitoire par destruction de la néovascularisation, mais aussi lutte contre l'hypoxie par réduction de la densité de cellules tumorales et par stimulation d'une angiogenèse plus efficace. De hautes doses pourraient provoquer des effets vasculaires entraînant directement la mort cellulaire (en particulier en radiothérapie stéréotaxique) (27).

Au final, la ré-oxygénation de la tumeur, au cours d'une irradiation fractionnée (à faible dose), est l'un des mécanismes considérés comme fondamentaux de l'efficacité de la radiothérapie. Cette loi est à relativiser pour les traitements stéréotaxiques, pour lesquels sa validité n'est pas évidente (très peu de fractions, très haute dose avec dégâts vasculaires potentiellement importants).

## Repopulation

Elle a été évoquée dans le modèle LQ, dans la version avec le facteur temps.

## Réparation

Les dégâts cellulaires de rayonnements ionisants sont multiples et ne se limitent pas à la dichotomie entre lésions réparables ou irréparables qui sous-tend le modèle LQ.

Tous les éléments cellulaires sont susceptibles d'être endommagés (membranes, mitochondries...), et pas seulement l'ADN du noyau. Pour l'ADN, les rayons X entraînent des clusters de lésion double brins très rapprochés, étendues sur de nombreuses paires de base. Ces dégâts sont difficilement réparables, leur proportion augmente avec la dose
par fraction, tandis que les autres dégâts à l'ADN plus simples (comme les lésions simples brins), sont potentiellement réparables mais peuvent se transformer en lésion double brin si le brin d'ADN est dupliqué lors d'une mitose.

Les systèmes de réparation de l'ADN ont des cinétiques très différentes selon que la réparation est non-homologue (rapide, ne dépend pas de la position dans le cycle cellulaire, avec beaucoup d'erreurs) ou homologue basée sur l'autre chromosome (lente, uniquement possible en phase S ou G2, fiable).

Il est difficile de savoir si une durée de 24h entre deux fractions permet une réparation *ad integrum* de l'ADN dans les tissus sains. Il est probable que la durée de 6h entre deux fractions (utilisée en hyperfractionnement avec 2 séances par jour) n'est pas suffisante pour une réparation complète de l'ADN, même si elle permet une récupération tissulaire.

En cas de combinaison de la radiothérapie avec des agents inhibant la réparation de l'ADN, comme les désormais célèbres inhibiteurs de PARP, une forte potentialisation des effets de la radiothérapie est à anticiper, du point de vue de l'efficacité mais aussi des effets secondaires; on suivra par exemple avec intérêt les données de toxicité du prochain essai OLA-TMZ-RTE-01 dans le Glioblastome, où la combinaison radiothérapie externe, chimiothérapie alkylante par Temozolomide et inhibiteur de PARP (olaparib) sera évaluée avec une escalade de dose progressive (28).

## Cytotoxicité directe

Les mécanismes d'action de la radiothérapie sont multiples, leur élucidation est un processus progressif et toujours en cours. Historiquement, seule l'action cytotoxique de la radiothérapie a été considérée et l'augmentation de la dose délivrée à la tumeur a été, et demeure, l'objectif prioritaire, combinée à l'épargne des organes de voisinage. Cette conception alimente les évolutions technologiques, comme la radiothérapie en conditions stéréotaxiques. De fait, l'escalade de dose a permis d'obtenir des améliorations importantes dans le contrôle local pour un grand nombre de cancers (29).

Cette cytotoxicité passe vraisemblablement par des dégâts irréparables dans l'ADN, causés directement par le rayonnement ionisant ou indirectement par la production de dérivés réactifs de l'oxygène, qui génèrent un stress oxydatif responsable de mort cellulaire qui peut être soit programmée - par apoptose - (30), soit non physiologique - par nécrose - (31). La part relative de l'apoptose et de la nécrose n'est pas connue; elle
dépendrait de mécanismes moléculaires complexes et peut-être de la dose: l'apoptose pourrait prédominer aux "faibles" doses et la nécrose serait prépondérante aux "fortes" doses(32), où des dommages vasculaires sont également réputés apparaître(33). La nécrose serait également plus immunogène que l'apoptose.

Certains auteurs complètent le tableau des différentes morts cellulaires avec plusieurs types intermédiaires entre l'apoptose et la nécrose: mort cellulaire par autophagie, par nécroptose, par pyroptose, qui diffèrent par le degré d'inflammation (34). Leur contribution respective dans la radiothérapie est encore inconnue.

## Rôle du système immunitaire

Le rôle du système immunitaire dans l'efficacité de la radiothérapie a été soupçonné dès le début du 20ème siècle, lorsqu'il était évoqué un possible effet de "radiovaccination". Mais l'intérêt des chercheurs se porte quasi exclusivement sur la dose et sa cytotoxicité pendant de nombreuses décennies.

La contribution de l'immunité à la radiothérapie connaît un regain d'intérêt à partir des années 1970, par la mise en évidence d'une radiocurabilité dépendant de l'immunocompétence de l'hôte dans certains modèles animaux (35). Ces travaux s'inscrivent à l'époque dans un mouvement de redécouverte du rôle du système immunitaire dans le contrôle des tumeurs (36,37), trois quart de siècle après la découverte de l'immunothérapie par le Dr William Coley (38), qui fut éclipsée durant la majeure partie du 20ème siècle par les succès de la radiothérapie puis de la chimiothérapie.

Les mécanismes du lien entre radiothérapie et contrôle tumoral passeraient aussi par l'induction d'une mort cellulaire qui est immunisante contre les antigènes de la cellule mourante (ICD: immunogenic cell death). Cette immunisation nécessite la stimulation de lymphocytes T cytotoxiques spécifiques de certains antigènes, activés par l'action des cellules présentatrices d'antigène et des macrophages, qui sont recrutés par l'activation de mécanismes moléculaires radio-induits conduisant à l'expression de plusieurs signaux de dommage moléculaires (DAMPs: Damage Associated Molecular Patterns).

Pour certains auteurs, la radiothérapie pourrait également contribuer à un processus de normalisation vasculaire, qui restaurerait un gradient de perfusion tissulaire efficace et faciliterait l'infiltration du stroma par le système immunitaire (39,40).
Des précisions sur les voies de signalisation moléculaire nécessitent au préalable des rappels d'immunologie et sont donc données plus loin dans la section sur l'immuno-radiothérapie.

## Mécanismes de résistance

Les cellules possèdent des mécanismes moléculaires de protection contre l'apoptose et les cellules cancéreuses les exploitent pour résister à la radiothérapie. Ainsi, le phénomène de repopulation tumorale est connu depuis les années 1960. Pour les cellules normales, la repopulation est un mécanisme de réparation nécessaire à la restauration des tissus après exposition aux rayonnements ionisants. Mais pour les tumeurs, le temps de doublement tumoral diminue drastiquement et passe de quelques mois avant traitement, à quelques jours seulement, selon des mécanismes mal élucidés, après quelques semaines de traitement (41). Le développement de schémas de radiothérapie plus courts (avec hypofractionnement modéré puis extrême) a contribué à diminuer son importance, probablement sans l'éradiquer complètement (voir discussion précédente sur le modèle LQ et la prise en compte du facteur temps).

L'existence de cellules souches du cancer, qui seraient particulièrement radiorésistantes et chimiorésistantes, est un sujet étudié depuis plusieurs décennies, et constitue un débat non tranché (42)<fnref n="14" />.

## Toxicités de la radiothérapie

### Lien entre doses, volumes et toxicités

La toxicité pour les organes de voisinage est liée aux volumes et aux doses d'irradiation. Grâce à la planification tridimensionnelle sur scanner, apparue à partir de la fin des années 1980, le calcul des histogrammes dose-volume et le respect de contraintes associées permettent de mieux maîtriser la fréquence des complications. Avant cette planification tridimensionnelle, l'oncologue-radiothérapeute devait estimer les volumes d'organes sains irradiés et les doses reçues, de manière approximative à partir de radiographies.

A partir du début des années 1990, des recommandations précises sont publiées sur les limites de dose et de volume par organe et permettent une quantification précise du

<footnote n="14">14 L'augmentation globale des taux de contrôle local avec l'escalade de dose a aussi fait reculer les préoccupations sur l'existence de cellules intrinsèquement radiorésistantes.</footnote>
risque de complication: Emami et al publient le premier référentiel en 1991 (43), actualisé à partir de 2007 par le groupe de travail QUANTEC (quantitative analysis of normal tissue effects in the clinics). Pour homogénéiser les définitions des complications tardives, un système d'évaluation précis des effets tardifs des radiations ionisantes est proposé en 1997: l'échelle SOMA-LENT (44).

Aujourd'hui, les techniques modernes de radiothérapie externe (IMRT, VMAT) permettent une meilleure conformité de dose et réduisent les toxicités par rapport aux recommandations de 1991. Ces limites de dose sont valables pour des doses par fractions d'environ 2 Gy. Le modèle LQ permet d'extrapoler pour des fractionnements différents, dans certaines limites de dose par fraction déjà discutées.

Les techniques de stéréotaxie délivrent des doses par fraction plus élevées et permettent de réduire fortement les volumes irradiés grâce à de forts gradients de dose (de l'ordre de 10% pour 1 mm). Comme ces techniques sont plus récentes, les modèles statistiques de dose / volume / toxicité sont moins abondants et l'extrapolation des données entre divers fractionnements est plus hasardeuse.

Les toxicités de la radiothérapie peuvent être fortement augmentées en cas de traitement concomitant par chimiothérapie, thérapie ciblée ou immunothérapie. Réciproquement, les toxicités des traitements systémiques peuvent aussi être potentialisés par la radiothérapie. Dans ce travail, on présentera en détail les données les plus récentes sur les immunothérapies.

Aussi, malgré les améliorations techniques, les toxicités demeurent un facteur limitant majeur qui empêche d'atteindre des taux de guérison élevés. Si l'on a coutume de les exposer après les mécanismes d'efficacité, en pratique clinique les toxicités restent au premier rang des préoccupations de l'oncologue. Ainsi, des associations théoriquement séduisantes avec la radiothérapie ont parfois conduit à des toxicités intolérables: gemcitabine ou bevacizumab, en particulier.

## Toxicités aiguës et tardives

On a vu que les tissus sont traditionnellement classés en fonction de leur *turnover* cellulaire lent ou rapide et que celui-ci impacte le délai entre l'irradiation et l'apparition des effets secondaires. Cette explication semble convenable pour les toxicités aiguës (survenant moins de 2 ou 3 mois après le début de la radiothérapie): en effet, le délai de
survenue est cohérent avec la durée de vie des cellules concernées (peau, muqueuse, intestin).

En revanche, la physiopathologie des toxicités tardives ne peut pas être expliquée uniquement par un turnover lent, surtout quand ces effets secondaires surviennent plusieurs années après la radiothérapie. Il faut tenir compte des effets de la radiothérapie sur plusieurs types de cellules, impliquant les tissus de soutien, une désorganisation microvasculaire contribuant à une hypoxie tissulaire, un oedème vasogénique par fuite capillaire, des effets pro-inflammatoires et des processus cicatriciels selon un mode auto-entretenu impliquant des voies de signalisation moléculaire en cours d'élucidation (comme la voie TGF-β). Ainsi les dégâts dans l'ADN ne seraient que l'évènement déclencheur initial qui, dans certaines conditions, peut provoquer une réaction inflammatoire chronique sur plusieurs années.

Pour certains auteurs, cette inflammation chronique pourrait produire des effets hors du champ d'irradiation initial, comme dans une version *en négatif* de l'effet "abscopal" de la radiothérapie que nous décrivons plus loin<fnref n="15" />. Pour une revue des mécanismes physiopathologiques, on pourra lire (45). Un exemple est la fibrose pulmonaire radio-induite, intéressant parfois des territoires pulmonaires non irradiés.

Les toxicités tardives sont non seulement liées à la dose totale, mais également à de fortes doses par fraction et aux volumes d'irradiation, ce qui justifie l'adhésion aux bonnes pratiques de radiothérapie et au respect des contraintes de dose / volume, mais aussi de chercher à minimiser ces volumes d'irradiation par l'adoption des techniques innovantes (actuellement, développement de la radiothérapie guidée par l'IRM par exemple) ou en ayant recours à la Curiethérapie à chaque fois que celà est possible.

<footnote n="15">¹⁵ L'effet abscopal décrit une action anti-tumorale à distance du champ d'irradiation, probablement médiée par le système immunitaire; cet effet tend à être observé de manière non rare en cas de combinaison avec les immunothérapies (voir infra).</footnote>
# Immunothérapie: généralités

Il est nécessaire de présenter les grandes lignes du fonctionnement du système immunitaire, sinon une description exhaustive. On présentera l'immunité innée, l'immunité adaptative puis l'on précisera les cibles moléculaires d'un certain nombre d'immunothérapies du cancer, avec une place prépondérante laissée aux inhibiteurs de checkpoints (les plus répandus en tumeurs solides), en mentionnant aussi les CAR-T cells utilisées en hématologie.

## Aspects historiques

Il existe depuis plusieurs siècles des rapports anecdotiques de patients atteints de cancer qui ont vu leur tumeur régresser temporairement, ou apparemment disparaître, à la suite d'un épisode infectieux sévère. Le médecin allemand Friedrich Fehleisen (1854-1924) identifie vers 1883 la souche bactérienne responsable de l'Érysipèle, une infection des tissus sous-cutanés: le *streptococcus pyogenes*. Le Dr Fehleisen pense qu'il existe un lien entre cette infection et certains de ces cas de régression tumorale. Vers 1891, le Dr William Coley (1862-1936), un chirurgien américain, a observé un cas spectaculaire de régression tumorale post-infectieuse (le patient est vivant et sans tumeur plusieurs années après) et il se lance dans un recensement systématique des cas: il collecte 46 cas cliniques documentés et s'en inspire pour définir la première méthode connue pour avoir induit artificiellement une réponse immunitaire anti-tumorale: d'abord avec une souche vivante de *streptococcus pyogenes*, puis, en raison des toxicités trop importantes, avec un mélange de bactéries inactivées nommées "toxines de Coley". Avec ces moyens primitifs, il rapporta un taux de réponse (personnel) d'environ 20% et quelques longs répondeurs. S'il est souvent considéré aujourd'hui comme le père de l'immunothérapie, il fut violemment dénigré par ses confrères. Le mécanisme d'action alors largement inconnu, les effets secondaires importants, le risque infectieux, le caractère imprédictible des réponses, la non standardisation des "toxines", représentaient des handicaps face à la radiothérapie alors émergente, ou la chirurgie. Des personnalités influentes, comme son collègue le Pr James Ewing (1866-1943), par ailleurs fervent promoteur de la radiothérapie aux USA, prennent alors publiquement position contre les travaux de Coley. Tous ces vents contraires interrompent la progression du domaine jusque dans les années 1945-1950, où les
découvertes fondamentales dans le domaine de l'immunologie vont apporter de la
crédibilité scientifique à l'immunothérapie des cancers: découverte de l'interféron en
1957, du rôle des lymphocytes T en 1967, des cellules dendritiques en 1973, des cellules
natural killer en 1975, de l'interleukine 2 en 1976. En parallèle, les travaux sur la
transplantation d'organes produisent aussi des découvertes majeures, comme le
complexe majeur d'histocompatibilité en 1948.

En 1976, on utilise pour la première fois le vaccin contre la tuberculose (BCG) en instillation intravésicale pour traiter les cancers de la vessie à des stades précoces, dans une stratégie adjuvante, après exérèse complète: c'est un succès et une confirmation des expérimentations historiques de Coley.

En 1991, on autorise pour la première fois l'utilisation de l'interleukine 2 dans le
cancer du rein métastatique puis dans le mélanome métastatique en 1998. Les taux de
réponse sont relativement faibles (15-16%)<fnref n="16" />, ils nécessitent des doses élevées
génératrices d'effets secondaires, mais l'on observe quelques réponses très longues
(jusqu'à plusieurs années).

L'immunothérapie “moderne” des inhibiteurs de checkpoint naît progressivement à partir de 1983 avec l'identification du récepteur antigénique des cellules T: le TCR, dont la structure permettra de comprendre progressivement par quels mécanismes la réponse immunitaire anti-tumorale peut être activée ou empêchée. Ainsi, le premier “checkpoint” inhibiteur est découvert vers 1987: le CTLA 4 (Cytotoxic T Lymphocyte Antigen number 4). Plus d'une décennie plus tard, en 2011, le premier bloqueur de checkpoint inhibiteur est autorisé dans le mélanome métastatique: l'ipilimumab, premier anti CTLA 4. En 2014, le premier bloqueur d'un autre checkpoint inhibiteur est approuvé: le nivolumab, premier anti-PD1 et membre d'une prolifique famille qui constitue désormais la colonne vertébrale des immunothérapies modernes (prix nobel de médecine 2018 pour Tatsuko Honjo et James P. Allison, pour leur découverte respective de PD-1 et CTLA 4).

Les vaccins anti-cancer ont été expérimentés depuis longtemps mais n'ont pour le
moment pas encore trouvé leur place en clinique, (malgré l'autorisation du Sipuleucel T
dans le cancer de prostate métastatique, qui a déçu par la suite); des stratégies de
combinaison vaccinale avec les inhibiteurs de checkpoint sont actuellement à l'étude.

<footnote n="16">¹⁶ Proleukin prescribing information, site web FDA.</footnote>
Les cellules T à récepteur chimériques ciblent des antigènes tumoraux spécifiques et ont été approuvés pour la première fois en 2017 pour les LAL B pédiatrique, depuis elles se développent dans les hémopathies malignes, mais pour le moment sans succès dans les tumeurs solides (46).

Avant d'entrer plus en détail dans le fonctionnement des inhibiteurs de checkpoint, on commence par des rappels sur le système immunitaire.

## Présentation du système immunitaire

Le système immunitaire est l'ensemble des cellules dont la fonction est de débarrasser l'organisme des pathogènes (bactéries, virus, parasites, champignons) et de leurs éventuelles toxines, mais aussi d'éliminer les cellules compromises, en particulier les cellules cancéreuses. Le système immunitaire possède deux lignes de défense: l'immunité innée et l'immunité adaptative, qui agissent en collaboration, avec des stimulations réciproques.

## Immunité innée

L'immunité innée est activée en quelques minutes, elle n'a aucune "mémoire" des pathogènes qu'elle rencontre et agit de manière stéréotypée. Elle repose sur un ensemble de cellules, certaines protéines de signalisation (cytokines) et sur un ensemble de protéines à fonction cytotoxique: le système du *complément*.

La fonction principale de l'immunité innée est le recrutement de cellules immunitaires sur un site d'infection ou d'inflammation. Ces cellules produisent des cytokines (petites protéines utilisées pour la communication de cellule à cellule) pour envoyer des messages afin de recruter sur site les différents effecteurs immunitaires. Leur action permet également d'activer le *système du complément*, une cascade de réactions biochimique qui vise à recouvrir la cible de protéines qui faciliteront la *phagocytose* ou qui détruiront directement la membrane cellulaire de la cible (par formation du *complexe d'attaque membranaire*).

Les cellules de l'immunité innée peuvent aussi servir à amorcer la réponse immunitaire adaptative, par le mécanisme de la présentation antigénique (voir infra).

On peut essayer de classer les nombreuses cellules impliquées dans l'immunité innée ainsi:
*macrophages* et *neutrophiles* sont tous capables de phagocytose, mais seuls les macrophages sont capables de présentation antigénique (aux lymphocytes T) et vivent plus longtemps (mois, années) que les neutrophiles (durée de vie quelques jours). Les macrophages modifient leurs caractéristiques selon le tissu. Ainsi, dans le microenvironnement tumoral, certains sont *associés à la tumeur* (ils “collaborent” activement avec les cellules cancéreuses, ne les phagocytent pas, jouent un rôle immunosuppresseur et tiennent “à distance” l’immunité adaptative), ce phénotype est noté “M2”, leur acronyme TAM (*tumor associated macrophages*). Les macrophages ayant conservé leurs caractéristiques anti-tumorales sont dits “M1”. Une tumeur aurait tendance à “corrompre” les macrophages M1 en les transformant en M2.

Les *cellules dendritiques* sont capables de phagocytose et de présentation antigénique aux lymphocytes T, elles sont proches fonctionnellement des *macrophages*, mais en diffèrent par leur morphologie, peut-être aussi par leurs progéniteurs.

Les *cellules NK* (Natural Killer) jouent un rôle important dans la lutte anti-tumorale et les cellules infectées par des virus, en produisant des *perforines* (qui percent la membrane cellulaire) puis en injectant des *granzymes* (type de protéase) qui induisent la mort cellulaire programmée (*apoptose*). Elles possèdent l'importante propriété d'éliminer certaines cellules capables d'échapper à l'immunité adaptative (voir infra).

*Mastocytes* et *basophiles* sont capables de dégranulation (relargage d'un contenu cellulaire pro-inflammatoire comme l'histamine) et sont impliqués dans les réactions allergiques et l'asthme. Les éosinophiles luttent contre les parasites. Le rôle des *mastocytes*, *basophiles* et *éosinophiles* dans le contrôle anti-tumoral n'est, s'il existe, pas encore compris.

## Immunité adaptative

L'immunité adaptative nécessite entre quelques heures ou quelques jours pour agir, elle dispose d'une mémoire immunitaire qui lui permet de se réactiver plus fortement après un certain nombre de rencontres avec un même pathogène. Elle s'établit en cas d'échec de l'immunité innée à détruire complètement le pathogène initial. On dit qu'elle sait distinguer le *soi du non-soi*, une expression qui évoque les origines de sa découverte: les causes du rejet des greffes d'organes.

L'immunité adaptative repose sur seulement deux types de cellules: les *lymphocytes T* et les *lymphocytes B*, mais ses mécanismes d'action sont sophistiqués. Les cellules de
l'immunité innée à fonction de présentation d'antigène (APC: Antigen Presenting Cells) servent de médiatrices entre les deux types d'immunité, plus spécifiquement entre les APC et les lymphocytes T.

Les lymphocytes T expriment à leur surface de nombreux clones d'un même récepteur, le TCR (T-Cell receptor), qui reconnaît un peptide chargé sur une molécule du complexe majeur d'histocompatibilité (MHC), dit *MHC de classe II* quand ce MHC est présenté par une cellule présentatrice d'antigène, ou *MHC de classe I* quand il est présenté par une autre cellule. Ainsi le *MHC de classe I* présente des peptides endogènes, tandis que le *MHC de classe II* présente des peptides exogènes "ramassés" par la cellule présentatrice d'antigènes au hasard des phagocytoses (ainsi qu'une majorité de peptides endogènes de la cellule APC qui sont normalement ignorés). Contrairement à une idée répandue, il n'y a pas de relation bi-univoque entre un TCR unique et un peptide unique: au contraire, un TCR peut reconnaître plusieurs peptides "proches", et symétriquement un même peptide peut activer différents clones de TCR. Il existe un très grand nombre de TCR différents, leur génération est possible par un mécanisme de recombinaison génétique sur un mode aléatoire. Un TCR doit normalement ignorer les peptides endogènes (le *soi*) et, du moins en physiologie, les peptides d'origine alimentaire (sous réserve d'une bonne "éducation" des lymphocytes T dans le thymus, vers le début de la vie). Chimiquement, celà se traduit par une absence d'affinité pour ces peptides. En revanche, pour les peptides dont il est spécifique, le TCR présente une grande affinité et *une seule* de ces liaisons peut déclencher l'activation du lymphocyte T. Le mécanisme exact n'est pas connu avec certitude: il est probable que la *durée de liaison* du TCR à son peptide soit un facteur important, tandis que le *nombre* de liaisons, est parfois considéré moins pertinent (cependant, ce nombre de liaison semble effectivement critique pour le bon fonctionnement des CAR-T cells, voir plus loin)<fnref n="17" />.

Cette activation n'est cependant pas automatique et nécessite deux signaux de coactivation, nommés *signal 2* et *signal 3*<fnref n="18" />: le *signal 2* est l'activation du récepteur CD28 à la surface du lymphocyte T, par la cellule présentatrice d'antigène (par son ligand CD80). Mais l'APC ne présente CD80 que lorsqu'elle a perçu un *signal de danger*, via

<footnote n="17">17 Débat scientifique non tranché. Quel que soit le mécanisme d'activation, une plus grande quantité d'antigène augmente, toutes choses égales par ailleurs, la probabilité de rencontre entre un TCR et un peptide chargé sur le MHC, il existe donc une certaine relation dose-effet entre antigène et réponse immunitaire. Ceci constitue une hypothèse importante des deux modèles présentés plus loin.</footnote>

<footnote n="18">18 Le *signal 1* est la reconnaissance du peptide par le TCR.</footnote>
l'activation de ses TLR (Toll-like receptors), une famille de nombreux récepteurs membranaires dont le rôle est de détecter des *pattern* signant la présence de nombreux pathogènes (bactéries, virus). Parmi les nombreux motifs moléculaires pouvant activer les TLRs, on trouve des Heat Shock Proteins (HSP), des protéines de résistance à divers stress cellulaires, qui sont fortement exprimées dans les cellules cancéreuses. L'activation des TLR par les rayonnements ionisants est désormais bien documentée (47), il est plausible que le mécanisme implique la production de HSP ou le relargage des HSP intra-tumorales.

Le *signal 3* est une stimulation par diverses cytokines (peptides de signalisation), comme l'interféron de type 1 et l'interleukine 12 (IL-12). Le *signal 3* joue un rôle indispensable dans l'expansion correcte du nombre de lymphocytes T spécifique du peptide reconnu par le *signal 1*. Cette expansion numérique est indispensable car initialement, il ne circule qu'un très petit nombre de lymphocytes spécifiques du peptide (à ce stade ils sont dits *naïfs*), ce nombre initial est insuffisant pour combattre efficacement le pathogène.

Si les 3 signaux sont activés, alors le nombre de lymphocytes T CD8+ spécifiques du peptide augmente rapidement, le pathogène est combattu avec énergie, tandis que certains lymphocytes se différencient en lymphocytes *mémoires*, aux propriétés anti-pathogène augmentées, ainsi qu'en lymphocytes T helpers (auxiliaires) CD4+, une famille de lymphocytes T aux fonctions diverses, qui ne sont pas directement cytotoxiques, et sont souvent présentés de manière dichotomique avec les CD4+ à *réponse th1*, impliqués dans la production de cytokines (comme l'interféron, des interleukines comme l'IL-12 et l'IL-2) ce qui provoque l'amplification de la réponse immunitaire via la costimulation des lymphocytes T cytotoxiques et via de nombreux effecteurs de la réponse innée - macrophages et NK -, tandis que les CD4+ à *réponse th2*, amplifient une réponse dite *humorale*, impliquant les lymphocytes B (idéalement capables de production d'anticorps spécifiques du pathogène) et certaines cellules de la réponse innée (éosinophiles, basophiles, mastocytes)<fnref n="19" />.

Le rôle des lymphocytes B et de la réponse humorale est encore peu étudié en oncologie. Pour certains, les lymphocytes B pourraient jouer un rôle dans

<footnote n="19">¹⁹ La dichotomie entre réponse th1 et th2 n’est pas complètement suffisante: par exemple la réponse th17, liée à l’interleukine 17, est non classable en th1 ou th2. Cette réponse est liée à des pathologies auto-immunes, et semble modulée par le microbiome intestinal (48).</footnote>
l'échappement immunitaire du cancer, en participant à l'immuno tolérance (49). Récemment, une association entre l'activité des lymphocytes B et la réponse aux immunothérapies a également été montrée dans le mélanome (50). Si un rôle anti-tumoral des lymphocytes B commence d'être suspecté, il n'a pas encore été fermement établi.

Il existe enfin une catégorie de lymphocytes T dont la fonction est de stopper la réaction immunitaire: les lymphocytes T régulateurs (Treg). Sans eux, la stimulation positive et réciproque entre l'immunité innée et adaptative produirait une réponse immunitaire persistante et néfaste. Le dysfonctionnement des Treg est possiblement impliqué dans les mécanismes des différentes hypersensibilités et de l'auto-immunité (51).

Dans ce modèle, tout le mécanisme de l'immunité adaptative deviendrait inopérant si une cellule malade (infectée par un virus ou cancéreuse) venait à ne plus exprimer le MHC de classe I. Effectivement, c'est bien un des modes d'échappement immunitaire documenté des cancers. Les cellules NK jouent alors un rôle très important car elles peuvent tuer toute cellule qui n'exprime pas le MHC. Les mécanismes d'activation et d'inhibition des cellules NK sont complexes, elles possèdent une large famille de récepteurs (les KIRs) dont le rôle peut être inhibiteur ou activateur. Cependant, les cellules cancéreuses, de même qu'elles sont capables de pervertir ou d'inhiber d'autres effecteurs immunitaires (lymphocytes T, macrophages), peuvent inhiber les cellules NK, selon des mécanismes en cours d'élucidation.

## Dysfonctionnements de l'immunité

### Hypersensibilités

Les réactions d'hypersensibilité sont une réponse anormalement forte du système immunitaire à une stimulation extérieure. De la complexité du système immunitaire découlent plusieurs mécanismes possibles. Ainsi, les réactions d'hypersensibilité sont classées en 4 catégories: les trois premières (type I, II, III) sont médiées par des anticorps produits par les lymphocytes B, tandis que la quatrième (type IV) est médiée par l'immunité cellulaire (lymphocytes T, macrophages).

- ☐ Hypersensibilité de type I: fréquente, explique les phénomènes allergiques (asthme allergique, allergies alimentaires, réaction anaphylactiques), de
cinétique très rapide après exposition aux pathogènes (quelques minutes), elle est médiée par les anticorps IgE.

☐ Hypersensibilité de type II: rare, explique certains phénomènes auto-immuns liés à la présence d'anticorps IgM et IgG (anémie et thrombopénie auto-immune, syndrome pneumo-rénal de Goodpasture...), globalement rapide (<24h) mais non immédiate.

☐ Hypersensibilité de type III: moins rare que la II, implique également les anticorps IgM et IgG, sous la forme de complexes qui activent le système du complément (maladies auto-immunes "fréquentes": Lupus ou les spondylarthrites réactionnelles à une infection par certaines bactéries).

☐ Hypersensibilité de type IV: fréquente, n'implique pas des anticorps, repose sur une réponse inadaptée de l'immunité adaptative cellulaire (cellules T) en collaboration avec l'immunité innée (macrophages), retardée (au moins 48h), explique par exemple le rejet chronique post-greffe.

## Auto-immunité

Une réaction immunitaire dirigée contre ses propres tissus, médiée par les lymphocytes T, et l'immunité adaptative cellulaire. Mais elle diffère de l'hypersensibilité de type IV car elle reflète un dysfonctionnement dans la chaîne d'activation lymphocytaire T<fnref n="20" />, ou dans le dysfonctionnement des lymphocytes T régulateurs, tandis que l'hypersensibilité de type IV est une réaction légitime contre le *non-soi*, mais indésirable de par son intensité ou ses effets (comme le rejet d'un greffon rénal ou cardiaque). Exemples classiques d'auto-immunité: diabète de type 1, maladie coeliaque.

En oncologie, les effets secondaires des immunothérapies sont essentiellement des réactions auto-immunes, elles sont présentées dans une section dédiée.

## Immunodéficience

De multiples mécanismes possibles, congénitaux (rares) ou acquis (fréquents). Ainsi l'infection au VIH au stade SIDA aboutit à la destruction des lymphocytes T helpers (CD4+) et à l'effondrement de la réponse immunitaire contre les pathogènes opportunistes.

<footnote n="20">²⁰ Les 3 signaux de costimulation, qui ne sont pas censés être activés par un auto-antigène.</footnote>
En oncologie, l'immunodéficience acquise est très fréquente par destruction directe des effecteurs immunitaires par les chimiothérapies (neutropénies, lymphopénies), la radiothérapie prolongée (lymphopénies), l'emploi des corticostéroïdes à dose élevée et prolongée, comme dans les tumeurs cérébrales primitives ou secondaires, les compressions médullaires, la lutte contre les effets indésirables des immunothérapies, la prémédication de certaines chimiothérapies à risque anaphylactique, entre autres situations classiques.

On présente ensuite les mécanismes (*pharmacodynamie*) des immunothérapies. On a évoqué précédemment la capacité d'évasion du système immunitaire par la tumeur, nous voyons ici par quels moyens pharmacologiques il est possible de s'y opposer.

## Inhibiteurs de checkpoint immunitaires (ICI)

### Anti - CTLA 4

#### Pharmacodynamie

CTLA 4 est un récepteur de membrane appartenant à la superfamille des immunoglobulines. Cette famille de récepteurs contient des membres *activateurs* et *inhibiteurs*. Parmi les activateurs, on trouve CD28 (le récepteur de co activation lymphocytaire T), ICOS, et parmi les inhibiteurs on trouve PD1, CTLA 4, TIGIT, BTLA. Globalement, ces récepteurs sont tous susceptibles d'être exprimés, mais dans des proportions très variables selon les types cellulaires. On pense actuellement que CTLA 4 est exprimé sur les lymphocytes T cytotoxiques mais aussi, et de manière préférentielle, sur les lymphocytes T régulateurs (Treg) et qu'il joue un rôle primordial dans l'immuno tolérance et l'équilibre du microbiome intestinal avec la muqueuse colique. Une particularité importante de CTLA 4 est qu'il partage les mêmes ligands que le récepteur activateur CD28 (à savoir les molécules CD80 et CD86), qui sont exprimées par les cellules présentatrices d'antigène. L'affinité de CTLA 4 pour ces ligands communs est plus importante que celle de CD28, aussi l'on pense que l'action inhibitrice de CTLA 4 s'exerce de manière indirecte en "volant" les ligands CD80 et CD86, qui seraient normalement "destinés" à engager CD28 et à co-stimuler les lymphocytes. Ensuite, le complexe CTLA 4 + ligand est internalisé par endocytose et détruit dans les lysosomes.

Ainsi, dans ce modèle, le mécanisme d'action d'un traitement par un anti CTLA 4 reposerait en grande partie sur une augmentation de la *co-stimulation*. Lors d'un
traitement, on peut constater une expansion non spécifique d'un grand nombre de
lymphocytes T et en particulier des lymphocytes T auto-réactifs. En revanche, il n'existe
pas d'expansion spécifique de lymphocytes reconnaissant des antigènes d'intérêt
comme des antigènes tumoraux. Il faut donc s'attendre à une efficacité assez largement
"diluée" dans des effets secondaires auto-immuns, en particulier au niveau colique avec
la perturbation de la tolérance vis-à- vis du microbiome. Le fait que CTLA 4 soit
globalement surexprimé dans les Treg, implique que son blocage puisse conduire à une
co-activation puis une expansion du nombre de Treg. Cette expansion paradoxale des
Treg sous anti CTLA 4 a parfois été constatée, elle est peut-être sans importance ou
co-responsable d'une diminution de l'efficacité thérapeutique. Des stratégies de
déplétion des Treg combinées à un blocage CTLA 4 semblent efficaces au point de vue
anti-tumoral, mais générateurs de toxicités auto-immunes, dans des modèles animaux.
Cette ubiquité des récepteurs entre cellules de polarisation opposée n'est pas une
exception (on la retrouve également pour l'axe PD1:PDL1), elle est probablement
co-responsable d'une insuffisance d'activité pharmacologique ou d'effets paradoxaux
(voir chapitre sur l'hyper progression).

Globalement, le blocage de CTLA 4 est le premier inhibiteur de checkpoint qui a été
ciblé par un anticorps commercial, mais son activité plus faible et son profil de toxicité
moins favorable par rapport aux inhibiteurs de l'axe PD1:PDL1 l'ont quelque peu
déclassé quand ces derniers ont été commercialisés. Nous verrons dans la section
suivante que les traitements en combinaison (double blocage CTLA 4 et axe PD1:PDL1)
pourraient donner une deuxième vie à cette classe thérapeutique. Pour une revue des
mécanismes connus du blocage CTLA 4, voir (52).

## Aspects commerciaux

L'ipilimumab, premier inhibiteur de checkpoint commercial, approuvé initialement
en 2011 pour le mélanome métastatique, était jusqu'à 2018-2020 en perte de vitesse,
car en danger d'être définitivement supplanté par les inhibiteurs de l'axe PD1:PDL1
comme le pembrolizumab ou le nivolumab. Au Q1 2021, l'ipilimumab (anti-CTLA4) ne
représentait que 25% des ventes du nivolumab (anti-PD1 du même fabricant).
Cependant, en 2018 et 2020, la combinaison nivolumab et ipilimumab a reçu plusieurs
autorisations FDA, en particulier dans le poumon métastatique, avec et sans
chimiothérapie: étude CHECKMATE 227 (53). On constate depuis 2021, une importante
croissance des ventes de l'ipilimumab (+38% au Q2 2021, la plus forte croissance parmi les médicaments au portefeuille du fabricant). Il est encore tôt pour juger de l'avenir de cette double immunothérapie en France, l'avis favorable de la HAS de juin 2021 contient des réserves: doutes concernant la place d'une double immunothérapie par rapport aux mono-immunothérapies, et sur le profil de tolérance de la double immunothérapie<fnref n="21" />. Les réserves de l'HAS font suite à des préoccupations exprimées par l'EMA<fnref n="22" />. Les retours d'expérience clinique devraient progressivement clarifier cette situation.

Anti -PD1 et anti -PD L1

Pharmacodynamie

PD-1 (programmed-cell death 1) est une protéine transmembranaire exprimée par de nombreuses cellules du système immunitaire (lymphocytes T et B, cellules dendritiques, macrophages) ainsi que par les tumeurs. On lui connaît au moins deux ligands PD-L1 et PD-L2. PD-L1 est exprimé par les tumeurs ainsi que par de nombreux effecteurs immunitaires. PD-1 appartient aussi à la superfamille des immunoglobulines, dans laquelle on trouve CD28 (voir supra, impliqué dans le signal 2 de la costimulation du lymphocyte T par la cellule présentatrice d'antigène) et CTLA 4.

Dans un lymphocyte T, lorsque PD-1 est lié par son ligand PD-L1, les signaux d'activation sont diminués, ce qui impacte négativement l'expansion lymphocytaire et la production d'intérféron, tandis que le nombre de lymphocytes T régulateurs augmente.
Les tumeurs peuvent exploiter cette propriété en exprimant PD-L1 à leur surface, ce qui leur permet d'échapper au système immunitaire.

Structurellement, PD-1 est distinct du TCR, il existe cependant un lien fonctionnel car PD-1 régule (à la baisse) l'activité du TCR. PD-1 est exprimé par une variété de cellules, au-delà des lymphocytes T: macrophages, lymphocytes B, lymphocytes NK.

Le scenario "idéal" du lymphocyte T exprimant PD-1 tandis que la tumeur exprime PD-L1 est donc une simplification, car de nombreuses cellules du microenvironnement tumoral les expriment aussi PD-1 ou son ligand. L'effet du blocage sur les autres cellules n'est pas encore bien compris, mais l'activité des macrophages et des lymphocytes B est probablement modulée par l'axe PD1:PD-L1 (54). Il est possible que le blocage de cet

<footnote n="21">²¹ Commission de la Transparence, avis du 16 juin 2021, disponible en ligne.</footnote>

<footnote n="22">²² EMA, 28 février 2020: *Withdrawal of application to change the marketing authorisation for Opdivo (nivolumab) and Yervoy (ipilimumab)*</footnote>
axe entraîne parfois des expansions de populations comme les TAM avec des effets paradoxaux d'accélération de la croissance tumorale (voir hyper progression).

En quelques années, le blocage de l'axe PD1:PD-L1 est devenu une classe thérapeutique incontournable en oncologie. Le rythme des autorisations de mise sur le marché a été exceptionnellement élevé.

Ainsi, à la mi-2021, trois anti-PD1 (pembrolizumab, nivolumab, cemiplimab) et trois anti PD-L1 (atezolizumab, avelumab, durvalumab) sont actuellement approuvés (FDA et EMA).

## Principales indications des anti PD1 et anti-PDL1

Le pembrolizumab a été approuvé dans les cancers suivants<fnref n="23" />:

* Mélanome: métastatique et inopérable (2013); adjuvant (2018).

* Cancer du poumon: métastatique 2ème ligne (2015), métastatique 1ère ligne en monothérapie (2016), métastatique 1ère ligne en combinaison avec chimiothérapie (2017 non épidermoïde, 2018 épidermoïde), en adjuvant des cancers traités par radiochimiothérapie (2019).

* Carcinome urothélial: métastatique 2ème ligne (2017).

* Cancers ORL: métastatique ou récidive 2ème ligne (2016) puis 1ère ligne (2019).

* Toutes tumeurs solides avec instabilité microsatellitaire (MSI-H) ou déficience dans le système mismatch repair (dMMR) (2017): 1ère autorisation d'un anti-cancéreux en "pan-tumoral".

* Cancer de l'œsophage, de l'endomètre, du col utérin, du rein et d'autres localisations depuis 2017.

Le nivolumab a été approuvé dans les cancers suivants:

* Mélanome: métastatique et inopérable en monothérapie (2014), en combinaison avec l'ipilimumab (2015), en adjuvant (2017).

* Cancer du poumon: métastatique 2ème ligne (2015, petites cellules 2018), en combinaison avec ipilimumab (2020).

* Cancer ORL (2016), urothélial (2017), colorectal (2017), CHC (2017), Lymphome de Hodgkin (2016) et d'autres localisations.

<footnote n="23">²³ Les indications précises sont simplifiées pour la lisibilité. Les documents officiels de prescription FDA, EMA sont en libre accès sur internet.</footnote>
Le cemiplimab a été approuvé dans le cancer de la peau de type épidermoïde (2018), de nombreux essais sont en cours dans de nombreuses indications(cancer du poumon, prostate, col utérin, ovaire, pancréas, glioblastome...).

Pour les anti-PD-L1:

L'atezolizumab a été approuvé dans les cancers suivants:

* Carcinome urothélial métastatique 2ème ligne (2016).

* Cancer du poumon: métastatique 2ème ligne (2016 non épidermoïde, 2018 épidermoïde), métastatique 1ère ligne en combinaison avec chimiothérapie (2019), adjuvant après chirurgie et chimiothérapie (octobre 2021).

* cancer du sein triple négatif métastatique, en combinaison avec chimiothérapie avec expression de PD-L1 (2019).

L'avelumab a été approuvé dans les cancers suivants:

* carcinome à cellules de Merkel, une tumeur cutanée rare (2017).

* carcinome urothélial métastatique 2ème ligne (2017).

* cancer du rein métastatique, en combinaison avec l'axitinib (2019).

Le durvalumab a été approuvé dans les cancers suivants:

* carcinome urothélial métastatique 2ème ligne (2017).

* cancer du poumon adjuvant après radiochimiothérapie (2018: étude PACIFIC).

* de nombreuses autres indications et combinaisons avec radiothérapie, chimiothérapie, immunothérapies actuellement en cours.

## Succès commerciaux des inhibiteurs de checkpoints

Cette longue liste des autorisations de mise sur le marché obtenues en quelques années, est évidemment une excellente nouvelle pour les patients atteints de cancer. Il n'est pas exagéré de parler de révolution si l'on considère le degré d'innovation technologique et le nombre des patients concernés. Leurs coûts élevés sont cependant un obstacle à leur diffusion non seulement dans les pays à faible revenus, mais aussi dans les pays plus riches (certains auteurs emploient désormais l'euphémisme de "toxicité financière").

Certes, un phénomène de concurrence est actuellement en cours, dont témoigne une certaine redondance dans les autorisations, avec des molécules aux programmes de développement souvent proches. On peut certes espérer des baisses de coût salutaires pour les systèmes de santé, mais dans des proportions qui devraient rester modérées.
En effet, les inhibiteurs de checkpoint sont désormais des produits phares de plusieurs compagnies pharmaceutiques. Ainsi, le pembrolizumab représentait à lui seul, au premier trimestre 2021, 30% des ventes de son fabricant (14.4 milliards de USD sur un total de 48 milliards) avec un taux de croissance annuelle de 30%, tirant l'essentiel de la croissance des revenus du groupe<fnref n="24" />. Les autres molécules ne sont pas aussi lucratives, car elles ont obtenu moins d'autorisations que le pembrolizumab, mais le nivolumab représentait 7 milliards de USD de revenu annuel pour son fabricant au premier trimestre 2021.

Ces sommes et leur importance pour les marchés financiers ne sont pas anodines pour la recherche. Elles impliquent une cinétique rapide des programmes de recherche visant à obtenir un maximum d'autorisation. Le design des études cliniques doit donc être rapide, avec peu de place pour l'optimisation des schémas thérapeutiques: la molécule innovante sera souvent ajoutée à un protocole de référence, dont les modalités (dose, fréquence) ne seront pas modifiées (car l'étude serait plus complexe et plus longue), indépendamment des considérations sur les éventuelles modifications pharmacodynamiques d'efficacité et de toxicité (antagonismes et synergies).

Les essais de grande taille sont a priori des tentatives *uniques*: en cas d'échec en phase III, l'indication est abandonnée, en cas de succès, les modalités thérapeutiques de l'essai sont définitivement validées. Ainsi, la fenêtre d'opportunité pour la recherche clinique est limitée dans le temps.

La priorité des centres souhaitant peser dans la recherche médicale doit donc être tournée vers les phases *précoces*, en adressant les difficultés organisationnelles pour répondre à une demande massive sur une période de temps courte. Au-delà des problèmes d'organisation et de ressources, avoir les capacités de proposer des essais précoces dont le rationnel scientifique est solide et innovant est un challenge, nécessitant de la pluridisciplinarité, par conséquent le fossé s'est creusé entre les pays selon la nature de leur écosystème de recherche scientifique: globalement, la part des pays ayant un système de recherche universitaire bien intégré dans l'environnement économique (USA, Europe du Nord, Asie) a fortement augmenté aux dépens des autres<fnref n="25" />.

<footnote n="24">²⁴ communication de la compagnie aux investisseurs, revenus au T1 2021.</footnote>

<footnote n="25">²⁵ Avec bien sûr des exceptions, tel le Marseille Immunopole, avec un très fort degré d'intégration recherche fondamentale - industrie.</footnote>
L'intérêt de la modélisation en médecine peut être aussi d'aider à choisir des rationnels pour les phases précoces. Mais il existe un conflit entre la temporalité longue du travail de recherche et la nécessité d'aller au rythme des besoins industriels. Le choix de développer des modèles relativement simples, pas trop spécifiques et réutilisables va dans ce sens.

Ces difficultés seraient un *non-problème* si les taux de réponse et durée de réponse aux immunothérapies étaient entièrement satisfaisantes. Nous verrons dans la section suivante que la réalité est nuancée.

## Taux de réponse, durée de réponse des inhibiteurs de checkpoint

On présente ici quelques taux de réponse et durée de réponse pour le pembrolizumab, molécule ayant obtenu le plus d'autorisation, actuellement la référence dans sa classe thérapeutique<fnref n="26" />.

☐ Mélanome métastatique naïf d'immunothérapie: taux de réponse **33%**, durée de réponse entre 1.4 mois et plus de 8.4 mois. Médiane de survie sans progression: 5.5 mois.

☐ Mélanome métastatique en échec après immunothérapie par ipilimumab: taux de réponse **25%**, durée de réponse entre 1 et plus de 11 mois. Médiane de survie sans progression: 2.9 mois.

☐ Cancer du poumon métastatique (NPC), en combinaison avec une chimiothérapie à base de platines et pemetrexed: taux de réponse **48%**, durée de réponse entre 1.1 et plus de 18 mois.

☐ Cancer du poumon métastatique (NPC), en combinaison avec une chimiothérapie carboplatine et (nab-) paclitaxel: taux de réponse **58%**, durée de réponse entre 2.4 et plus de 12.4 mois.

☐ Cancer du poumon métastatique (NPC), en monothérapie: taux de réponse **27%** ou **39%** selon le statut PD-L1, et 25-26% de durée de réponse supérieure à 18 mois.

☐ Cancer du poumon à petites cellules, après échec de chimiothérapie: taux de réponse **19%**, dont 56% de réponse supérieure à 18 mois.

<footnote n="26">²⁶ Source: pembrolizumab prescribing information, Food and Drugs Administration, août 2021.</footnote>
☐ Cancer ORL métastatique, première ligne, en combinaison avec chimiothérapie: taux de réponse **36%**, durée de réponse entre plus de 1.6 et plus de 30.4 mois.

☐ Cancer ORL métastatique, monothérapie: taux de réponse **19%** ou **23%** selon le statut PD-L1 (score CPS), durée de réponse entre plus de 1.5 mois et plus de 34.8 mois.

☐ Cancer urothélial après échec sous chimiothérapie: taux de réponse **21%**, durée de réponse entre 1.6 et plus de 15.6 mois.

☐ Cancer MSI-H/dMMR: taux de réponse **39.6%**, dont 78% de réponse supérieure à 6 mois.

☐ Cancer gastrique après échec de traitement systémique (au moins 2 lignes): taux de réponse **13.3%** dont 26% de réponses de plus de 12 mois.

☐ Cancer de l'œsophage après échec de traitement systémique: taux de réponse **22%** ou **20%** (selon le nombre de lignes de traitement), durée de réponse entre plus de 2 mois et plus de 25 mois.

☐ Cancer du col utérin en récidive ou métastatique: taux de réponse **14.3%**, durée de réponse entre plus de 4.1 mois et plus de 18.6 mois.

☐ Carcinome hépatocellulaire après échec ou intolérance au sorafenib: taux de réponse **17%**, dont 56% de plus de 12 mois.

☐ Carcinome rénal, en combinaison avec axitinib: taux de réponse **59%**, durée de réponse non disponible.

☐ Cancer de l'endomètre métastatique après échec d'une ligne de traitement systémique, en combinaison avec lenvatinib: taux de réponse **38%**, durée de réponse entre plus de 1.2 et plus de 33 mois.

## Synthèse

Pris globalement, on obtient:

☐ Moyenne des taux de réponse en monothérapie, toutes localisations (hors dMMR) : **22 %**.

☐ Moyenne des taux de réponse en combinaison : **48 %**.

Les monothérapies sont donc en échec d'emblée chez 8 patients sur 10, elles ont un intérêt clinique globalement limité, hormis chez les patients dMMR.
En revanche, les stratégies de combinaison offrent des taux de réponse nettement plus intéressants, cependant elles échouent d'emblée chez 1 patient sur 2, ce qui reste perfectible. Hélas, peu de stratégies de combinaison sont aujourd'hui autorisées, en comparaison des monothérapies (rapport de 1 pour 2).

Concernant la durée de réponse: *très variable*, des réponses longues (supérieure à 12-18 mois) mais pour une *minorité* des répondeurs. Une partie des répondeurs est donc confrontée à une résistance après quelques mois de traitement. Mais ceci permet l'existence de longs répondeurs et explique que les immunothérapies sont effectivement une révolution thérapeutique, pour une sous-population de patients.

Il semble donc clair que les efforts de recherche devraient, en théorie, se porter en priorité sur des essais de combinaison (immunothérapies multiples, immunothérapie-chimiothérapie, immunothérapie-thérapies ciblées, immunothérapie-radiothérapie etc). Mais le très grand nombre de combinaisons possibles interdit une exploration systématique. La modélisation, via des modèles animaux et numériques, nous semble un outil indispensable pour s'orienter vers des combinaisons plus rationnelles que d'autres.

Il semble aussi que des efforts de recherche devraient également viser à identifier des moyens de re-sensibilisation en cas de résistance acquise, également par le biais de combinaisons plutôt que par des changements de ligne, dans un objectif d'épargne des lignes thérapeutiques. La recherche sur les résistances acquises à l'immunothérapie est encore débutante, certains auteurs en ont proposé des définitions (55), mais les stratégies restent encore à définir.

## Toxicités des immunothérapies

### Mécanismes

Les effets secondaires spécifiques des immunothérapies (désignés par l'acronyme irAEs: immune related adverse effects) ont des mécanismes physiopathologiques moins bien compris et moins prédictibles que ceux des thérapies cytotoxiques classiques (chimiothérapie, radiothérapie). On connaît à ce jour plusieurs catégories de mécanismes (56):

- [ ] toxicité médiée par les lymphocytes T: la plus directe et (peut-être) la plus fréquente: impliquerait des *antigènes partagés* entre la tumeur et les tissus sains
et une expansion T clonale. Ce type de toxicité a été documenté avec des
immunothérapies de type anti-PD1, dans le mélanome et le cancer du poumon.
Ce mécanisme de toxicité est corrélé à la réponse à l'immunothérapie. Une
corrélation a aussi été montrée entre le degré de proximité antigénique entre la
tumeur et les tissus, et la fréquence des complications (57).

☐ Une explication alternative proposée (entre autres) par A. Ribas serait une diversification *non spécifique* des lymphocytes T, y compris des lymphocytes auto-réactifs, par certaines immunothérapies (les anti-CTLA4), cette diversification du répertoire T serait corrélée aux toxicités, mais à la différence de la précédente, elle n'est pas prédictive de réponse (58).

☐ L'induction d'un déséquilibre entre lymphocytes régulateurs (Treg) et lymphocytes T pourrait jouer un rôle. Mais ce phénomène pourrait être une conséquence d'un des deux précédents, et les preuves cliniques manquent, pour le moment.

☐ Toxicité médiée par les lymphocytes B et les auto-anticorps, qui serait de mécanisme similaire aux maladies auto-immunes à auto-anticorps. La présence d'auto-anticorps thyroïdiens avant traitement est associée à un plus grand risque de thyroïdite auto-immune sous immunothérapie. Pour les autres anticorps, en revanche, le lien entre la présence d'auto-anticorps avant ou pendant le traitement, et le développement des toxicités auto-immunes est moins clair.

☐ Inflammation et cytokines: une augmentation des cytokines pro-inflammatoires (comme l'IL-17, entre autres) a été corrélée avec l'occurrence des toxicités auto-immunes. Il n'est pas encore établi que ce phénomène soit indépendant des précédents: l'étude de signatures cytokiniques avant et pendant traitement représente une piste d'investigation intéressante.

☐ Rôle du microbiote intestinal: la muqueuse intestinale est désormais envisagée comme un site essentiel pour l'apprentissage de la tolérance immunitaire et l'induction des Treg: elle serait en taille le premier organe lymphoïde et le lieu d'une rencontre permanente entre le système immunitaire et les antigènes alimentaires et bactériens de la flore intestinale (59). Plusieurs études ont relié la présence de certaines bactéries intestinales avec la sévérité des toxicités auto-immunes, ainsi que dans la réponse aux immunothérapies (60,61). Des
transplantations fécales sembleraient même avoir guéri des patients atteints de colite auto-immune sévère réfractaire aux immunosuppresseurs (62), mais ces résultats demandent à être reproduits.

La compréhension de ces mécanismes permettra peut-être de repousser les limites de certaines combinaisons dans lesquelles les toxicités pourraient se révéler limitantes (voir plus loin, pour l'immuno-radiothérapie).

Une meilleure compréhension permettra peut-être aussi de mieux sélectionner les patients pour les immunothérapies. En particulier, les patients présentant des pathologies auto-immunes pré-existantes sont systématiquement écartés des essais cliniques. Pour plusieurs auteurs, si le risque est certes plus élevé avec ces patients, leur exclusion systématique n'est pas justifiée et leur est potentiellement dommageable: la décision devrait être prise de manière individualisée, en fonction du risque (vital ou pas) posé par une éventuelle exacerbation de leur maladie auto-immune (63).

## Fréquence des principales toxicités graves des immunothérapies

Une méta-analyse à la méthodologie sophistiquée (64) a classé les immunothérapies en fonction de leur profil de tolérance: si les anti PD1 ou PD-L1 sont mieux tolérés que les anti - CTLA4, il existe également un effet dose, et les combinaisons anti-PD1 + anti-CTLA4 sont plus toxiques. Les auteurs ont proposé une classification entre diverses molécules commerciales à l'intérieur d'une classe thérapeutique. On prendra surtout l'exemple du pembrolizumab, anti-PD1 de référence (de par le grand nombre de ses indications), en se basant sauf mention contraire sur les données publiques de la FDA (FDA prescribing information).

Les fréquences des effets secondaires diffèrent selon que les données proviennent des essais cliniques (patients sélectionnés, très peu de comorbidités) ou des études de "vraie vie" (patients tout-venant, avec comorbidités), où ils sont plus fréquents.

- toxicités dermatologiques (éruption, démangeaisons): très fréquentes, de l'ordre de 25% pour le pembrolizumab et l'ipilimumab dans les essais, mais jusqu'à 40% pour les anti-PD1 et 50% pour les anti-CTLA4 en méta-analyse. Typiquement traitées localement pendant que les ICI sont poursuivis. Généralement non graves mais d'exceptionnels cas de DRESS ont été décrits.

- toxicités gastro-intestinales (colites auto-immunes): diarrhée, douleurs abdominales, saignements pouvant aller jusqu'à des complications graves
(perforation, mégacôlon toxique). Fréquence des diarrhées: 12-31% pour le pembrolizumab dans les essais, selon les indications, avec une plus grande fréquence en combinaison avec la chimiothérapie (29-31%) qu'en monothérapie (autour de 20%).

☐ Hépatites auto-immunes: pour le pembrolizumab, les élévations des enzymes hépatiques (ASAT, ALAT) sont très fréquentes (supérieures à 25% dans les essais) mais les perturbations graves (grade 3 ou 4) ne représentent que quelques pourcents. Ces toxicités ne semblent pas plus fréquentes en combinaison avec chimiothérapie qu'en monothérapie, elles ne surviennent pas nécessairement plus fréquemment que dans les bras contrôle avec chimiothérapie.

☐ Toxicités endocriniennes: diabète de type 1 (ou autre diabète auto-immun), dysthyroïdie, insuffisance surrénalienne, insuffisance hypophysaire (quasiment spécifique aux anti-CTLA4). L'hypothyroïdie (éventuellement précédée d'une courte hyperthyroïdie) est fréquente pour les anti-PD1 ou PD-L1, elle concerne environ 10-18% des patients recevant le pembrolizumab selon les essais (le plus souvent < 15%). L'utilisation d'immunosuppresseurs semble inefficace pour restaurer la fonction thyroïdienne: les patients nécessitent une supplémentation à vie.

☐ Toxicités rhumatologiques (arthralgies, myalgies): environ 10% des patients sous pembrolizumab dans les essais, parfois plus dans certaines séries.

☐ Pneumopathie auto-immune: environ 2.7% des patients sous anti-PD1, environ 1% de formes graves (65). Mais les patients avec pneumopathie pré-existante (BPCO, fibrose pulmonaire) sont plus à risque et les risques de forme grave sont augmentés en cas d'irradiation thoraciques combinée (voir plus loin). Les formes légères répondent aux corticostéroïdes, les formes sévères nécessitent des immunosuppresseurs plus puissants (anti-TNFα). Certaines formes graves sont fatales.

## Toxicités et combinaisons

Les faibles taux de réponse des inhibiteurs de checkpoint en monothérapie renforcent l'intérêt pour la recherche de stratégies de combinaison à visée *synergique*. Mais les toxicités seront susceptibles d'être augmentées, en nombre et en gravité.
Le cas de la combinaison avec la radiothérapie sera discuté plus loin, mais les combinaisons synergiques entre deux immunothérapies (ou plus) sont déjà au cœur d'essais cliniques présents et à venir (voir infra quelques nouveaux inhibiteurs de checkpoint en développement).

Aussi les toxicités, en particulier celles qui sont potentiellement fatales, comme les pneumopathies et les colites auto-immunes, devraient faire l'objet d'efforts de recherche afin de mieux sélectionner les patients ou de les diagnostiquer au plus tôt (biomarqueurs?), de diminuer leur occurrence (concessions posologiques? schémas séquentiels? modulation préventive ou curative du microbiome intestinal?) ou d'améliorer leur gestion lorsqu'ils surviennent (stratégie de dépistage précoce par biomarqueurs ou imagerie? stratégie d'immunosuppression?).

Des stratégies devront être mises en œuvre pour que les toxicités en combinaison ne deviennent pas limitantes (entre autres, escalades de dose). Les formes orales d'inhibiteurs de checkpoint, actuellement à l'étude, pourraient rendre la gestion des toxicités plus simples grâce à des demi-vies plus courtes permettant des concessions posologiques rapides et une gestion plus dynamique de l'exposition des patients.

## Hyperprogression sous immunothérapie

Pour une proportion minoritaire de patients, mais non-négligeable (entre 10% et 30% selon les auteurs), le cours de la maladie est drastiquement accéléré peu après la mise sous immunothérapie. La rupture de la cinétique de croissance tumorale avant et après traitement est alors évidente et ne peut être raisonnablement attribuée à l'histoire naturelle de la maladie. Les conséquences sont généralement dramatiques: contrôle de la maladie souvent impossible et décès plus rapide.

Des définitions radiologiques quantitatives existent, impliquant le taux de croissance tumorale avant et après traitement, avec ou sans prise en compte des nouvelles lésions.

Dans une étude rétrospective monocentrique, Matos et al (66) ont trouvé une tendance à l'augmentation du risque avec l'utilisation des anti-PD1 par rapport aux anti-PD-L1, ainsi qu'une augmentation significative en cas d'utilisation de combinaison d'immunothérapie vs monothérapie.

Si les mécanismes de l'hyper progression sont encore non élucidés, on suspecte fortement l'expression de PD1 à la surface des cellules immuno modulatrices du microenvironnement tumoral, comme les TAM et les Treg: le blocage de PD1 (ou de son
ligand PD-L1) pourrait augmenter leur activité anti-tumorale (sécrétion de cytokines immunomodulatrices) ainsi que leur prolifération, et donc précipiter l'effondrement de ce qu'il subsite du contrôle immunitaire anti-tumoral. Cette hypothèse impliquerait un certain déficit dans l'infiltration par les lymphocytes T cytotoxiques, qui expliquerait la futilité de la tentative de les réactiver par blocage de leur récepteur PD1.

On peut envisager l'hypothèse que des stratégies de combinaison avec la radiothérapie, en déplétant le micro environnement tumoral de ses effecteurs, puis en stimulant le recrutement lymphocytaire T par libération d'antigènes tumoraux, permettrait d'éviter ce scénario. De même, les chimiothérapies cytotoxiques en concomitance pourraient aider à cette réinitialisation du microenvironnement tumoral, sans avoir à attendre les résultats de thérapies innovantes en cours de développement comme les anti CSF-1R (voir infra), censées cibler les TAM. La moins grande cytotoxicité et l'immunosuppression induite par les chimiothérapies ne permettrait cependant pas une stimulation antigénique aussi puissante que la radiothérapie.

Les résultats de certaines études récentes d'immunothérapies et de chimiothérapie en concomitance semblent aller dans le sens d'une réduction des hyper progressions. Ainsi la KEYNOTE-042 (pembrolizumab vs chimiothérapie dans le cancer du poumon métastatique, TPS>1%) présente une courbe de survie qui porte les stigmates d'hyper-progression de début de traitement (la survie est moins bonne dans le bras pembrolizumab pendant 6 mois puis il existe un croisement des courbes au-delà). On note un pattern identique dans la CHECKMATE 227 (nivolumab + ipilimumab vs chimiothérapie).

En revanche, ceci n'est pas le cas dans les courbes de survie de la KEYNOTE-189 et de la KEYNOTE-407 (pembrolizumab + chimiothérapie vs chimiothérapie, sans considération de TPS), où les courbes de survie se détachent dès le début en faveur du pembrolizumab.

Des facteurs explicatifs d'origine génétique ont été identifiés rétrospectivement, concernant des mutations tumorales (amplfication MDM2/4, EGFR entre autres) et des mutations du patient (dans les gènes PD1, PD-L1, IDO1, VEGFR2). Pour le moment, leur caractère causal n'est pas établi, des facteurs confondants sont possibles. L'étude en immunohistochimie des populations lymphocytaires a également montré que certains profils de cellules semblent associés à la survenue de l'hyper progression, comme par exemple l'augmentation de la proportion de lymphocytes T CD8+ avec un profil
exhausted, au cours des premiers cycles de l'immunothérapie: ceci reflète, *ex-post*, le caractère immunologique du phénomène mais ne permet pas de sélectionner les patients *avant* de leur administrer une immunothérapie (dont la durée de persistance est de plusieurs semaines).

Un certain nombre de corrélats biologiques ont été identifiés, sans que le caractère causal ne soit établi (CRP, ratio neutrophiles sur lymphocytes, taux de LDH, nombre de métastases hépatiques...).

Pour le moment, ces facteurs associés ne sont ni parfaitement sensibles ni spécifiques, certains ne sont mesurables qu'après exposition aux immunothérapie, ils ne sont pas validés prospectivement et ils ne permettent donc pas de gestion efficace du risque d'hyper progression. Globalement, le risque d'hyper progression est important, en particulier en l'absence de chimiothérapie concomitante, et possiblement en cas de combinaison de plusieurs immunothérapies. Des efforts de recherche sont nécessaires pour mieux identifier les mécanismes et en déduire des biomarqueurs fiables (67).

## Nouveaux développements

La prochaine génération d'inhibiteurs de checkpoint PD1:L1 pourrait être constituée de petites molécules, au lieu des actuels anticorps monoclonaux (ceci n'est pas sans précédent: le *bevacizumab*, premier anticorps monoclonal à visée anti-angiogénique, a été supplanté par des inhibiteurs de tyrosine kinases). De telles molécules seraient censées avoir une meilleure diffusion intra-tumorale, de plus faibles coûts de fabrication, éventuellement moins d'effets secondaires grâce à des demi-vies plus courtes. Elles sont actuellement développées par plusieurs laboratoires (dont la multinationale BMS ainsi que de nombreuses entreprises de biotechnologie) (68).

## Ciblage des lymphocytes NK

Les cellules NK sont impliquées dans la lutte contre les cellules tumorales; elles sont particulièrement intéressantes par leur capacité à éliminer les cellules qui n'expriment pas le MHC classe I et peuvent ainsi échapper à la surveillance lymphocytaire T. Hélas, les tumeurs développent également des stratégies d'échappement aux cellules NK.

L'inhibition des cellules NK lors de la reconnaissance du MHC classe I repose principalement sur l'engagement de leur récepteurs membranaires KIR et sur l'hétéro-dimère CD94/NKG2A. Les récepteurs de type KIR (Killer cell
Immunoglobulin-like Receptor), font partie d'une grande famille très diversifiée (17 gènes chez l'humain, très polymorphiques) dont certains sont inhibiteurs et d'autres activateurs. Les cellules avec expression normale du MHC classe I se lient au KIR-inhibiteurs des cellules NK, tandis qu'une cellule cancéreuse sous-exprimant le MHC de classe I ne peut pas lier assez de KIR-inhibiteurs, ce qui peut conduire à l'activation de la cellule NK.

De nombreux récepteurs inhibiteurs autres que CD94/NKG2A et les KIR ont été identifiés pour les cellules NK: pour ne citer que quelques-uns, ciblables par des thérapies existantes ou en développement, il s'agit du bien connu PD-1, mais aussi de LIR1, TIGIT, LAG3, TIM3, entre autres.

Les cellules NK sont de phénotype hétérogène, comme les autres effecteurs immunitaires. Certaines sont cytotoxiques, d'autres immunomodulatrices, et identifiables par leurs récepteurs membranaires, un certain degré de plasticité (ou de porosité) entre ces catégories existe. Le recrutement intra-tumoral de cellules NK est associé à un meilleur pronostic, comme celui associé à la présence intra-tumorale de lymphocytes T cytotoxiques CD8+. Dans certains cancers (gastrique, oesophagien), a été mis en évidence une diminution de l'infiltration tumorale par les cellules NK au cours de la progression de la maladie (le phénomène d'échappement immunitaire), ainsi qu'une diminution de leur capacité à produire de l'interféron γ (prostate) et une diminution de leur cytotoxicité.

Il semble que les mécanismes d'inhibitions des cellules NK au sein du microenvironnement tumoral puissent être variables et reposer sur des combinaisons impliquant plusieurs des récepteurs mentionnés. Des recherches seront nécessaires pour identifier des biomarqueurs prédictifs de réponse et des combinaisons d'immunothérapies seront peut-être nécessaires pour bloquer suffisamment de voies de signalisation. La gestion des toxicités pourrait aussi s'avérer dans ce cas particulièrement délicate.

Les cellules NK semblent être particulièrement sensibles (négativement) aux conditions hypoxiques, qui règnent au sein des tumeurs de grande taille, partiellement nécrotique: on peut faire l'hypothèse qu'un traitement d'induction par radiothérapie pourrait aider à ré-oxygéner une telle tumeur et faciliter l'action d'une immunothérapie ciblant les cellules NK. A la différence de traitements anti-angiogéniques, la radiothérapie permettrait également un important debulking tumoral et un certain
degré de ré-initialisation du microenvironnement tumoral en tuant ou stérilisant les effecteurs immunitaires déjà présents et au phénotype globalement immunomodulateur. La production d'antigènes tumoraux permettrait également une potentialisation de la cytotoxicité médiée par les lymphocytes T (voir section immuno-radiothérapie).

La voie du TGFβ, impliquée dans la résistance à la radiothérapie, semble également responsable de l'inactivation des cellules NK, dans le cadre de son action immunomodulatrice plus globale. Des thérapies ciblant le TGFβ pourraient donc avoir une pertinence pour l'immunothérapie des cellules NK comme pour l'immuno-radiothérapie.

Quelques molécules d'immunothérapie en développement et ciblant spécifiquement les NK sont actuellement le *monalizumab* (anti NKG2A), le *lirilumab* (anti KIR) et des anti TIGIT. De nombreux autres récepteurs sont à l'étude et des tests compagnons pour cibler individuellement les molécules pertinentes seraient souhaitables.

Des stratégies de combinaison visant à augmenter l'infiltration par les cellules NK et à rétablir leur phénotype cytotoxique sont à définir. On peut espérer que la radiothérapie aura un rôle important dans ce sens. Pour des revues détaillées sur les immunothérapies des cellules NK, voir (69,70).

### Ciblage des TAM et autres cellules myéloïdes

Les cellules myéloïdes associées à la tumeur sont une population hétérogène constituée de macrophages de type M2 (TAM), de neutrophiles et monocytes à des stades variés de différenciation (MDSCs), qui jouent un rôle immunomodulateur au sein du microenvironnement tumoral et favorisent l'échappement immunitaire. Le ciblage des TAM et MDSCs constitue donc également une voie de recherche pour les immunothérapies. Deux classes thérapeutiques sont en cours de développement: les anti-CSF-1R visent le blocage du CSF (Colony Stimulating Factor). Les anti CSF-1R n'ont pour le moment pas montré d'activité anti-tumorale significative et sont testés en combinaison avec des immunothérapies ou des chimiothérapies, où leur profil de sécurité (en particulier leur hématotoxicité) sera à surveiller (71).
Les CAR-T cells sont des lymphocytes T autologues dont le récepteur TCR a été modifié par génie génétique pour reconnaître un antigène tumoral. Elles connaissent un succès important dans les hémopathies malignes mais il existe aussi des projets pour les utiliser dans les tumeurs solides, qui sont plus hétérogènes et moins facilement ciblables par ce type de technique qui suppose un haut degré de clonalité tumorale.

Concernant les toxicités, les CAR-T cells causent des orages cytokiniques et des neurotoxicités, potentiellement fatales.

Les mécanismes de résistance connus impliquent la perte de l'antigène tumoral par les cellules cibles et l'épuisement des lymphocytes T chimériques (qui semble en partie réversible par les inhibiteurs de checkpoint type anti-PD1).

Leur processus de fabrication et d'administration est complexe car spécifique à chaque patient. Les CAR-T cells fonctionnent en présence d'un antigène tumoral suffisamment sur-exprimé et assez spécifique pour ne pas créer des toxicités auto-immunes trop graves. Les lymphocytes du patient sont prélevés puis sont pré-activés ex-vivo par une costimulation (CD28) et des cytokines (IL-2, autres), leur récepteur TCR est modifié par l'intermédiaire d'un virus, d'un rétrovirus ou par la technologie CRISP-cas9, puis les lymphocytes T à récepteur chimériques sont réinjectés au patient, dans lequel ils rencontrent l'antigène tumoral dont ils sont spécifiques avec leur TCR chimérique (activation du signal 1) et vont théoriquement se multiplier (la co-activation par les signaux 2 et 3 ayant été pré-effectuée).

Ces techniques connaissent de réels succès dans certaines hémopathies malignes mais sont réservées aux formes réfractaires aux traitements conventionnels, en raison de leur toxicité, de leur coût et de leur faible disponibilité.

Dans les tumeurs solides, les résultats ont été décevants pour le moment. Parmi les causes possibles: la trop grande hétérogénéité antigénique des tumeurs solides induit un manque d'antigènes ciblables, la mauvaise pénétration des lymphocytes T chimériques à travers les barrières d'organes et tumorales, une faible survie des lymphocytes T chimériques à l'atteinte éventuelle du site tumorale, et le caractère immunosuppresseur du microenvironnement tumoral (72). Il existe quelques projets dans des tumeurs supposément assez homogènes. Ainsi dans le cancer de prostate métastatique résistant à la castration, une étude précoce (NCT03089203) a évalué des CAR-T cells ciblant le PSMA (prostate specific-membrane-antigen), une protéine qui
malgré un nom évocateur n'est pas complètement spécifique du cancer de prostate<sup>27</sup>
(résultats en attente). Des études de CAR-T cells ont essayé, sans succès, de cibler le
Glioblastome en visant les récepteurs de l'EGF. D'autres essais sont en cours, tentant de
cibler d'autres antigènes tumoraux dans diverses tumeurs du système nerveux central.

Pris globalement, les CAR-T cells n'ont pas encore démontré d'utilité pour les
tumeurs solides, mais des développements sont toujours en cours (73).

<footnote n="27">27 le PSMA (prostate specific membrane antigen) est une protéine impliquée dans le métabolisme des folates et du glutamate, entre autres. Initialement supposée spécifique de l'adénocarcinome de prostate, on sait désormais qu'elle est exprimée dans un grand nombre de tissus sains: cerveau, système nerveux, reins, etc. Environ 8% des cancers de la prostate n'expriment pas du tout le PSMA. Le PSMA est une cible d'imagerie par TEP et une cible thérapeutique lorsqu'on lui adjoint du *lutétium 177*. On ne confondra pas le PSMA avec le PSA (prostate specific antigen), codé par un gène différent, utilisé comme biomarqueur du cancer de prostate.</footnote>
# Immuno-radiothérapie: généralités

## Terminologie

Le terme désormais consacré d'immuno-radiothérapie est employé pour décrire l'utilisation de radiothérapie produite par une source externe au patient, en association concomitante (ou suffisamment rapprochée) avec une immunothérapie, dont les inhibiteurs de checkpoints sont le cas particulier le plus répandu.

Le terme voisin de radioimmunothérapie, désigne une technique de radiothérapie interne, administrée par voie orale ou intraveineuse, qui exploite les propriétés biologiques d'un anticorps couplé à un isotope radioactif.

## Mécanismes d'efficacité de l'immuno-radiothérapie

On a présenté plus haut les mécanismes supposés d'action de la radiothérapie puis de l'immunothérapie; ce chapitre expose les mécanismes situés à l'intersection des deux.

La radiothérapie peut stimuler le système immunitaire. On sait depuis longtemps que les rayonnements ionisants produisent des aberrations chromosomiques qui aboutissent à la formation de micronoyaux dans le cytosol contenant des chromosomes avec de nombreuses anomalies. L'ADN contenu dans les micronoyaux peut ensuite "fuir" dans le cytosol, dans les quelques jours suivant l'irradiation (74). Ce phénomène est connu depuis un siècle et fut initialement utilisé comme un marqueur de mort cellulaire.

On sait désormais que la présence (anormale) d'ADN dans le cytosol (au lieu qu'il soit confiné dans le noyau) active la voie pro-inflammatoire sGAS-STING, qui stimule la production d'interféron de type 1, qui joue un rôle essentiel dans la réponse immunitaire, via la présentation des antigènes tumoraux aux cellules dendritiques (75,76) qui activeront à leur tour les lymphocytes T pour produire et amplifier une réponse immunitaire adaptative dirigée contre des antigènes tumoraux.

Cette production d'IFN type 1 semble dose-dépendante et nécessite du fractionnement avec des doses par fraction relativement élevées: 5 Gy x 2 dans (77) ou 8 Gy x 3 dans (78), mais inférieures à certaines limites, car des doses supérieures (de 10 à 20 Gy en dose unique selon les expériences) ne semblent pas induire de production d'interféron.

Depuis récemment, on soupçonne qu'au-delà de certaines concentrations d'ADN cytosolique, l'activation d'une exonucléase (Trex1) provoque la dégradation de cet ADN,
ce qui inhibe la voie cGAS-STING, la production d'interféron et *in fine* la stimulation de la réponse immunitaire (79). Ceci expliquerait la perte de l'effet immunitaire pour de fortes doses délivrées sur un temps court, comme décrit avec une monodose de 20 Gy dans (80).

A de très fortes doses (supérieures à 10 Gy par fraction), la radiothérapie induirait une surexpression du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CMH I), ce qui augmenterait la reconnaissance des cellules tumorales par les lymphocytes T cytotoxiques (CD8+). Ce mécanisme semble dose-dépendant jusqu'à des doses bien supérieures à celles où la voie de l'ADN cytosolique est inhibée, puisqu'il a été vérifié expérimentalement jusqu'à 30 Gy en une fraction, le pic d'expression du CMH I intervenant alors avec un délai de 2 à 3 jours par rapport à l'irradiation et semblant lié à la libération de peptides intra-cellulaires par l'irradiation. Il est également noté une plus grande richesse du répertoire des peptides présentés par les molécules du CMH I (81).

Ces résultats expérimentaux sont souvent obtenus pour des monodoses, pour des raisons de praticité, et parfois pour quelques doses: leur extrapolation à une radiothérapie délivrée sur plusieurs fractions, sur plusieurs jours ou plusieurs semaines, ne peut être obtenue que par modélisation.

Pour les doses par fraction les plus utilisées en pratique clinique courante (1.8 - 2 Gy), les effets précédents ne sont pas décrits, mais on observerait des modifications dans le microenvironnement tumoral, avec une tendance à la normalisation de la vascularisation tumorale, qui deviendrait moins anarchique et permettrait une meilleure infiltration par des lymphocytes T, ainsi qu'une tendance à la diminution de la proportion de macrophages de type M2 (qui sont immuno modulateurs et diminuent la réponse immunitaire) en faveur des macrophages de type M1 (participant activement à la réponse immunitaire) (82). Mais il n'est pas certain que ces bénéfices de court terme soit maintenus dans le temps chez l'Homme: la radiothérapie à dose 1.8-2 Gy est prolongée sur plusieurs semaines, entraîne à terme une toxicité microvasculaire responsable d'hypoxie puis de sénescence cellulaire précoce, comme par exemple dans l'irradiation pan-cérébrale (83). La théorie de la normalisation vasculaire des basses doses de radiothérapie reste encore à prouver en clinique. De plus, à 2 Gy par fraction, les lymphocytes intra-tumoraux sont pratiquement tous détruits, quotidiennement, pendant plusieurs semaines, créant une authentique immunosuppression locale pendant au moins toute la durée du traitement, qui se combine à la fréquente
lymphopénie radio-induite caractéristique des irradiations prolongées (discutée plus loin). Même si l'on pourrait imaginer mettre à profit cette immunosuppression temporaire pour "reprogrammer" le micro-environnement tumoral par des moyens pharmacologiques, ce domaine de dose par fraction n'est pas le plus simple à exploiter pour l'immuno-radiothérapie. Cependant, il ne peut pas être modifié facilement en pratique clinique: à la hausse, à cause des problèmes de tolérance, et à la baisse, pour des problèmes de contrôle local. On verra donc que de nombreux essais cliniques d'immuno-radiothérapie utilisent, probablement faute de mieux, le normo fractionnement à 1.8 - 2 Gy par fraction.

A très basse dose par fraction (entre 0.1 et 1 Gy), on sait depuis les années 1980 que certaines tumeurs possèdent une hypersensibilité aux rayonnements ionisants, qui n'est pas décrite correctement par le modèle LQ, en particulier certaines histologies radio-résistantes aux doses usuelles (2 Gy/fraction) (84). Plus récemment, des effets immunologiques intéressants ont été observés dans des modèles précliniques (82,85). Entre autres explications, un nombre significatif de lymphocytes intra-tumoraux sont épargnés, et il existe un effet pro-inflammatoire significatif et un bon recrutement lymphocytaire intra-tumoral, maximum entre 0.5 et 1 Gy dans des modèles animaux. Mais ces niveaux de dose sont insuffisants pour espérer le contrôle local sur la base de la seule radiobiologie classique, leur utilisation est donc un pari sur une grande efficacité de l'immunothérapie, ou nécessiterait un nombre de fractions nettement plus élevé que les traitements habituels, cette voie prometteuse reste donc encore peu explorée à l'heure actuelle. Des résultats cliniques commencent à être disponibles (86), ils sont générateurs d'hypothèses, mais obtenus dans des conditions expérimentales discutables<fnref n="28" /> avec de petits effectifs.

On remarque que ces "basses doses" sont courantes dans les tissus de voisinage, non
tumoraux. Ainsi, en radiothérapie externe, les organes à risque pourraient être
particulièrement exposés à des phénomènes pro-immunitaires radio-induits, ce qui
pourrait contribuer à la toxicité de l'immuno-radiothérapie, qui sera discutée plus loin.
Corollaire: les seuils de dose pour la toxicité immuno-induite seraient alors plus faibles
que ceux liés à la toxicité radiobiologique classique.

<footnote n="28">²⁸ Hétérogénéité des bras pour les types de tumeur, les fractionnements, les traitements systémiques, pas de définition précise des patients progresseurs (risque d'inclusion de pseudo-progresseurs), entre autres.</footnote>
Il existe donc, à tous les niveaux de dose, plusieurs mécanismes biologiques qui rendent plausible l'hypothèse que la radiothérapie peut stimuler l'immunité innée et adaptative, et qu'une partie de son efficacité soit médiée par le système immunitaire. La combinaison avec une immunothérapie serait alors pertinente et pourrait produire une synergie, où l'efficacité de la combinaison serait supérieure à la somme de l'efficacité de ses composantes.

La mise en œuvre de ces innovations se heurte au classicisme des conceptions radiobiologiques actuelles, où l'effet de la radiothérapie est encore interprétée uniquement sous l'angle d'une relation dose-effet entre l'énergie du rayonnement et le contrôle tumoral local (modèle linéaire quadratique et ses éventuelles variations).

De plus, chez l'Homme, seul l'effet de la radiothérapie sur le contrôle local a été extensivement étudié. La récidive à distance est supposée être le domaine des chimiothérapies et des traitements systémiques: la radiothérapie n'est pas supposée y contribuer (sauf, de façon indirecte, par l'amélioration du contrôle local).

Or le taux de récidive locale mesure un effet global: somme d'une cytotoxicité liée aux concepts radiobiologiques classiques et d'un hypothétique effet immunitaire. Établir la part relative de chaque composante est difficile hors de conditions expérimentales.

## Effet abscopal

La mesure d'une éventuelle réponse à *distance* (hors champ d'irradiation), permettrait de prouver et de quantifier la contribution immunitaire de la radiothérapie ou de l'immuno-radiothérapie (si l'on suppose qu'une telle action à distance soit exclusivement, ou majoritairement, le résultat de l'action du système immunitaire<sup>29</sup>). On nomme *effet abscopal* cette réponse tumorale dans les tissus non irradiés, ou ceux irradiés à une faible dose non curative<sup>30</sup>. Son origine immunitaire est désormais hautement suspectée (via les mécanismes présentés plus haut): ainsi, dans des modèles

<footnote n="29"><sup>29</sup> La voie de signalisation des céramides serait peut-être une voie non immunologique de l'effet abscopal; étant donné l'extrême rareté de l'effet abscopal en l'absence d'immunothérapie, on ne considèrera pas ce mécanisme non-immunologique, comme cliniquement significatif.</footnote>

<footnote n="30"><sup>30</sup> Cette irradiation à basse dose concerne les tissus de voisinage situés dans le trajet du faisceau d'irradiation. Avec les techniques modernes de radiothérapie externe qui multiplient le nombre de faisceaux, comme avec l'arc-thérapie où le faisceau d'irradiation tourne autour de la cible, ces volumes irradiés à basse dose peuvent être larges. Parfois, une métastase peut être comprise dans une zone de pénombre, mais la dose reçue est alors non-curative. La Curiethérapie n'est pratiquement pas concernée (voir section correspondante).</footnote>
animaux, l'effet abscopal peut être aboli par une déplétion en lymphocytes CD8+, tandis
qu'il peut-être potentialisé en stimulant la réponse immunitaire (87).

L'effet abscopal est cependant un phénomène très rare lorsque la radiothérapie est
utilisée en monothérapie. D'après (88), il a été rapporté dans seulement 47 cas cliniques
de 1960 à 2018 (soit moins d'un cas par an). Même à supposer que seule une fraction
des cas fait l'objet d'une publication, il demeurerait tout à fait exceptionnel. Son
observation est d'autant plus difficile que lorsqu'un traitement systémique est utilisé
avec ou après la radiothérapie, cet éventuel effet abscopal tend à être attribué à l'effet de
ce traitement.

Cependant, depuis une dizaine d'années, avec la plus grande disponibilité des
immunothérapies (notamment grâce aux inhibiteurs de checkpoints), des chercheurs
ont exploré le champ de l'immuno-radiothérapie et cherché à produire plus
fréquemment cet effet abscopal. Initialement, dans des expériences de laboratoire (sur
des versions animales de ces anticorps monoclonaux), puis dans des essais cliniques
chez l'Homme (89,90). La fréquence d'observation de l'effet abscopal a ainsi augmenté
considérablement: 18% dans (90), 27% dans (89), contre pratiquement zéro
auparavant.

Cependant, en l'absence de groupe contrôle dans ces deux essais, il n'est pas possible
d'attribuer forcément les réponses abscopales à l'effet de la radiothérapie, puisqu'il
pourrait s'agir dans certains cas d'une réponse (retardée) à l'immunothérapie.

Ainsi, dans (90), l'argumentation pour l'obtention d'un effet abscopal repose sur des
arguments biologiques indirects (expansion du répertoire du CMH en
post-radiothérapie, par exemple); de plus les patients étaient naïfs d'immunothérapie et
auraient donc pu répondre à l'immunothérapie sans radiothérapie; Dans (89), la
thérapie systémique utilisée est un facteur de croissance des cellules myéloïdes (du
GM-CSF), qui n'est pas connu pour avoir en soi une action anti-tumorale: la causalité de
la radiothérapie dans le taux de 27% d'effet abscopal semble donc plausible, mais non
certaine.

Enfin le taux moyen d'effet abscopal dans ces deux études ne s'élève qu'à environ
22%, et cette fréquence se compare à celle des taux de réponse aux immunothérapies,
qui est de 21% pour les anti-PD1 ou -PDL1 dans une méta-analyse de 2018 (91).

L'étude récente Pembro-RT a randomisé des patients atteints de cancer du poumon
NPC métastatique entre pembrolizumab et pembrolizumab plus SBRT sur une seule
lésion. Elle a montré une tendance à une meilleure survie sans progression et une meilleure survie globale dans le bras combiné, mais ces résultats étaient non significatifs (92). L'effet abscopal n'a pas été quantifié par les investigateurs, mais ces résultats sont encourageants d'autant qu'une analyse en sous-groupe a montré un effet plus fort pour les tumeurs *négatives* pour PDL1, donc pour les tumeurs *a priori* moins sensibles aux anti-PD1.

Une autre étude récente du MDACC (93), a randomisé des patients atteints de cancer du poumon NPC métastatiques entre Pembrolizumab et Pembrolizumab plus radiothérapie sur 1 à 4 lésions (selon une technique classique ou en SBRT en fonction de la faisabilité). Il n'a pas été mis en évidence de bénéfice significatif en survie sans progression sur l'ensemble des patients, cependant un léger bénéfice apparaît pour le groupe des tumeurs *faiblement* positives pour PDL1 (mais pas dans les PDL1 *négatifs*, à la différence de Pembro-RT). Le taux d'effet abscopal était plus important en cas d'utilisation de la SBRT (38%) que de la radiothérapie classique (10%) (p=0.11), ce qui entre dans la modélisation du deuxième article de cette thèse.

Pour le moment, ces résultats sont globalement encourageants mais pas assez significatifs pour justifier des coûts et des toxicités supplémentaires induits par une utilisation plus systématique de la radiothérapie.

La variété des mécanismes biologiques impliqués a esquissé le tableau d'une machine moléculaire complexe. Il n'est donc pas surprenant que l'efficacité de l'immuno-radiothérapie soit très variable: tout autant, sinon plus, que peut l'être celle de l'immunothérapie.

Des biomarqueurs et des modèles seraient nécessaires pour une meilleure sélection des patients, et une meilleure optimisation des cibles et des doses, mais ils font actuellement défaut.

## Mécanismes de résistance

On a vu que l'immunité contribue à l'action de la radiothérapie et que symétriquement la radiothérapie peut produire des néo-antigènes tumoraux pour augmenter la réponse immunitaire. Les résultats des combinaisons sont encourageants mais ne sont pas encore à la hauteur des attentes, comme pour l'effet abscopal.