Multicellular Tumour Spheroid (MCTS) model for evaluation of the efficiency of nanoparticle drug delivery

par Saba Goodarzi

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Charlotte Rivière et de François Lux.

Soutenue le 21-09-2021

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Marie-Pierre Rols.

Le jury était composé de Charlotte Rivière, François Lux, Muriel Barberi-Heyob, Claire Wilhelm, Hichem Claude Mertani.

Les rapporteurs étaient Muriel Barberi-Heyob, Claire Wilhelm.

  • Titre traduit

    Modèle de tumeur sphéroïde multicellulaire pour l'évaluation de l'efficacité de l'administration de médicaments à base de nanoparticules


  • Résumé

    Le développement d'un modèle 3D in vitro standard pour le criblage des nanothérapies reste un défi. Plusieurs modèles de culture de tumeurs en 3D ont été développés, dont les sphéroïdes multicellulaires de tumeurs qui gagnent en popularité en raison de leur capacité à imiter certaines des caractéristiques des tumeurs naturelles. Les sphéroïdes peuvent être fabriqués de différentes manières, mais les méthodes traditionnelles présentent plusieurs inconvénients. Dans cette étude, des micropuits à base d'agarose ont été utilisés pour la génération de sphéroïdes tumoraux multicellulaires uniformes d'une lignée de cancer colorectal (HCT-116). Selon les résultats de ce projet, la pénétration des nanoparticules AGuIX®- Cy5.5 dans les sphéroïdes dépend du temps et de la concentration. Alors que les nanoparticules ont été observées dans l'espace extracellulaire et intracellulaire des sphéroïdes, la localisation intracellulaire dominante des nanoparticules AGuIX®- Cy5.5 était dans les lysosomes ; les endosomes précoces et les mitochondries, par contre, ont montré une certaine colocalisation avec AGuIX®. Lorsque la localisation des nanoparticules AGuIX®- Cy5.5 dans les sphéroïdes et la culture cellulaire 2D a été comparée, la différence dans la localisation des nanoparticules en 2D et en 3D a mis en évidence les avantages de l'utilisation de ce modèle in vitro 3D pour le criblage des nanothérapies en raison de sa capacité à récapituler les caractéristiques tumorales influençant l'internalisation des nanoparticules et leur destin intracellulaire. Le modèle in vitro 3D mis au point s'est avéré bénéfique pour l'évaluation de la thérapie associée à la radiothérapie, car les cellules en sphéroïdes (3D) ont montré une radiorésistance plus élevée que les cellules monocouches (2D), ce qui indique que ce modèle in vitro 3D peut être utilisé pour évaluer l'efficacité thérapeutique des nanothérapies dans une configuration plus réaliste. Le suivi de la croissance des sphéroïdes HCT-116 irradiés a révélé leur capacité à croître pour toutes les doses 6 jours après l'irradiation, contrairement au test classique de survie clonogénique, qui a révélé qu'ils étaient incapables de former des colonies aux doses plus élevées. Le meilleur effet radiosensibilisant d'AGuIX® a été observé à une irradiation de 2 Gy, selon l'analyse de la prolifération de cellules uniques dans les sphéroïdes.


  • Résumé

    Developing a standard 3D in vitro model for screening nanotherapeutics remains challenging. Several 3D tumor culture models have been developed, multicellular tumor spheroids among them are gaining popularity due to their ability to mimic some of the characteristics of natural tumors. Spheroids can be made in a variety of ways, but traditional methods have several drawbacks. In this study, agarose-based microwells were used for generation of uniform multicellular tumor spheroids of a colorectal cancer line (HCT-116). According to the findings of this project, the penetration of AGuIX®- Cy5.5 nanoparticles within spheroids is time and concentration dependent. While nanoparticles were observed in both extracellular and intracellular space of spheroids, the dominant intracellular localization of AGuIX®- Cy5.5 nanoparticles was in lysosomes; early endosomes and mitochondria, on the other hand, showed some colocalization with AGuIX®. When the localization of AGuIX®- Cy5.5 nanoparticles in spheroids and 2D cell culture was compared, the difference in nanoparticle localization in 2D and 3D highlighted the advantages of using this 3D in vitro model for nanotherapeutics screening because of its ability to recapitulate tumor features influencing nanoparticle internalization and intracellular fate. The developed 3D in vitro model has been shown to be beneficial in therapy assessment associated with radiotherapy, as cells in spheroids (3D) showed higher radioresistance than monolayer cells(2D), indicating that this 3D in vitro model can be used to assess therapeutic efficacy of nanotherapeutics in a more realistic set up. Growth monitoring of irradiated HCT-116 spheroids revealed their ability to grow for all doses, 6 days after irradiation, in contrast to the classical clonogenic survival assay, which revealed they were unable to form colonies at higher doses greater. The best radiosensitizing effect of AGuIX® was observed at 2 Gy irradiation, according to single cell proliferation analysis in spheroids.


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