Evaluation de stratégies thérapeutiques combinées basées sur l'utilisation de nanoparticules radioamplificatrices par un modèle cellulaire 3D

Evaluation of therapeutic strategies based on radiations and nanoparticles using a 3D cell model

• Auteur / Autrice : Pauline Maury
• Direction : Sandrine Lacombe, Erika Porcel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 30/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Eric Deutsch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Rivière, Marie-Anne Hervé du Penhoat, Ryoichi Hirayama
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Rivière, Marie-Anne Hervé du Penhoat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hypoxie cellulaire

Nanogels

Hadronthérapie

Matrice extracellulaire

Nanoparticules

Mots clés libres

Modèle cellulaire 3D

Nanoparticules

Radiations

ECM

Hypoxie

Hadrontherapie

3D cell model

Nanoparticles

Radiations

ECM

Hypoxia

Hadrontherapy

Résumé

Dans l’arsenal thérapeutique contre le cancer, la radiothérapie (RT) occupe une place majeure. Utilisée pour plus d’un patient sur deux, cette stratégie reste limitée du fait des dommages collatéraux qu’elle induit sur les tissus sains et de la radiorésistance de certains cancers. Des stratégies thérapeutiques alternatives plus performantes sont donc nécessaires.Dans ce contexte, l’utilisation de nanoagents capables d’amplifier l’effet de la RT a été proposée. Leur couplage avec un faisceau d’ions lourds, plus sélectif et plus efficace que les RX conventionnels, constitue une solution aux perspectives intéressantes pour améliorer les traitements. Pour évaluer le potentiel de protocoles anticancéreux, le recours à des modèles précliniques est indispensable. A l’échelle in vitro, les cultures cellulaires monocouches sont traditionnellement utilisées mais apparaissent dépassées car elles échouent notamment à prédire l’effet du microenvironnement cellulaire.Le but de ma thèse était d’évaluer l’efficacité de stratégies combinant nanoparticules (NPs) et radiations en utilisant un modèle cellulaire optimisé dans ce but. Ce modèle in vitro, établi en trois dimensions (3D) inclut une matrice extracellulaire (ECM) à base de collagène. Un autre avantage majeur du système réside dans le contrôle de la concentration en oxygène à l’intérieur de l’échantillon, permettant de retrouver un niveau similaire à celui des tumeurs normoxiques et hypoxiques.J’ai d’abord mis au point les méthodes expérimentales permettant de préparer ce modèle de façon reproductible puis une caractérisation a été effectuée grâce à des méthodes de microscopie spécifiques. J’ai montré que des méthodes d’analyse classiques peuvent être employées pour étudier les réponses cellulaires aux traitements. Ce modèle in vitro 3D a ensuite été utilisé avec succès dans le cadre d’un essai clinique de traitement basé sur l’utilisation de NPs de Gadolinium (AGuiX®) combinées à de la radiothérapie externe (X - 6 MV) et de la curiethérapie (ϒ - 662 kV). Ces travaux montrent que ces NPs amplifient de 15% l’effet des RX (à 1.8 Gy) et de 30% l’effet des ϒ (à 5.25 Gy). La méthode développée pour quantifier l’enrichissement des NPs dans les tumeurs de patients à partir des images IRM, ainsi que les fractions de survie cellulaire obtenues sont des pré-requis importants au développement de nouveaux outils dosimétriques capables de calculer des distributions de dose en présence de NPs.Une autre stratégie repose sur l’utilisation de nouveaux agents multimodaux, conçus pour administrer des molécules actives de façon ciblée dans la tumeur. Dans le cadre de mes travaux, j’ai évalué l’efficacité de nanoagents organométalliques (MOFs), véritables « nanocages » capables d’incorporer un agent anticancéreux comme la Gemcitabin. Des modèles cellulaires classiques (2D) et optimisés (3D) ont été utilisés pour évaluer l’efficacité de la combinaison de ces agents avec des irradiations par faisceaux d’ions carbone (290 MeV/uma) ou hélium (150 MeV/uma). Ces travaux ont permis de démontrer l’efficacité de cette combinaison, même en conditions hypoxiques, avec une amplification à 2 Gy de 45% à 55% selon le faisceau utilisé. L’utilisation du modèle 3D a par ailleurs permis de mettre en évidence la capacité de ces nanoparticules à migrer au sein de l’ECM et à être internalisées par les cellules. Grâce à ce travail, un nouveau type de nanoagents permettant d’améliorer les performances de la hadronthérapie a été mis en exergue.Ces travaux ont donc débouché sur l’optimisation d’un modèle in vitro 3D dont les caractéristiques permettent de prédire l’efficacité de traitements combinés, dans des conditions plus proches de celles des tumeurs tout en restant facile d’utilisation et reproductible. Il peut ainsi être utilisé en parallèle d’essais précliniques en vue d’évaluer rapidement l’efficacité d’un traitement, ou pour estimer le potentiel de nouveaux nanoagents en développement.

Radiotherapy (RT) plays a crucial role in the therapeutic arsenal against cancer. Used for more than 50% of patients, this strategy remains limited due to the collateral damage induced on healthy tissues and the radioresistance of some cancers. Thus, the development of alternative strategies of treatment remains a great challenge.In this context, the use of nanoagents capable of amplifying the effect of RT has been proposed. Their combination with particle therapy, which is more selective and more efficient than conventional XR, is a promising solution for improving the performances of cancer treatments. In this perspective, preclinical models are essential to evaluate the potential of new therapeutic strategies. For a rapid and easy evaluation, monolayer cell cultures are commonly used. These models, though, appear outdated as they fail to predict the effects of the cell environment.Thereby, the goal of my thesis was to evaluate the efficiency of strategies combining nanoparticles (NPs) and radiations using a three-dimensional cell model (3D) composed of an extracellular matrix (ECM) able to better reproduce the microenvironment and tumor features.A major advantage of the system is the control of the oxygen concentration inside the sample to mimic the oxygenation level in tumors (normoxic and hypoxic).I first developed the experimental methods to prepare this model and characterize it using specific microscopy methods. Classical methods were employed to quantify cell responses to treatments.The 3D model was then successfully used to evaluate a new protocol of treatment in parallel to a clinical trial. The treatment consists in the addition of Gadolinium-based NPs (AGuiX®) with external radiation (X-rays - 6 MV) and brachytherapy (ϒ - 662 kV).This work demonstrated the efficacy of NPs to amplify the effect of X-rays by 15% (at 1.8 Gy) and the effect of ϒ (at 5.25 Gy) by 30%. The method that we have developed to quantify the enrichment of NPs in the tumor from patients MR images as well as radiobiological results obtained are important prerequisites for the development of new dosimetric tools capable of calculating dose distributions in the presence of NPs. Another strategy of treatment is based on the use of new multimodal agents, designed to deliver and, potentially, control the release of active molecules in tumors. As part of my work, I have evaluated the efficacy of organometallic nano-agents (MOFs), "nanocages" capable of incorporating anti-cancer agents such as Gemcitabin. Classical 2D and new 3D cell models were used to evaluate the efficacy of these agents combined with carbon ions (290 MeV/uma) or helium ions (150 MeV/uma) radiations. This work demonstrated the efficacy under normoxic and hypoxic conditions, with an amplification at 2 Gy of 45% to 55% depending on the irradiation beam. Thanks to the 3D model, it was also established that these new NPs migrate through the ECM and penetrate into the cells. Finally, this work highlighted a new type of nanoagent that improves the performances of particle radiation treatment.In summary, this work resulted in to the production of a 3D in vitro model whose characteristics allow predicting the effectiveness of combined treatments under conditions closer to those of tumors while remaining easy to use and reproducible. It can be used in parallel with preclinical trials to rapidly assess the efficacy of a treatment or to estimate the potential of new nanoagents.