Radiosensibilité de nanoparticules en hadron-thérapie: impactes biologiques

par Vladimir Ivosev

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Sandrine Lacombe.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (laboratoire) , Nanosciences moléculaires (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2014 .


  • Résumé

    Projet de thèse Radiosensitization by nanoparticles in hadrontherapy : biological impacts. Doctorant: Vladimir IVOSEV Directeur de thèse: Sandrine LACOMBE. Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay, Université Paris Sud, Bât. 351, Orsay 91405, France. Motivation Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, dans le monde, 7,6 millions de décès ont été causés par le cancer en 2008 (environ 130/0 de tous les décès) et ce nombre devrait continuer d'augmenter à plus de 13,1 millions en 2030 [1]. 500/0 des patients sont traités par radiothérapie. Cependant, la radiothérapie conventionnelle, basée sur utilisation de faisceaux de photons X de haute énergie, est limitée par la sensibilité des tissus sains entourant la tumeur qui peuvent être endommagés. Ainsi, la mise en place de nouveaux protocoles qui permettraient d'améliorer les traitements demeure une priorité sociétale majeure. L'hadronthérapie repose sur l'utilisation de faisceaux d'ions rapides pour irradier et détruire les tumeurs. Les ions, contrairement aux photons, permettent de déposer la majorité de l'énergie en fin de trace, dans un volume précis. Les ions carbones sont également trois fois plus efficaces que les photons de haute énergie, ce qui permet d'envisager le traitement de tumeur radiorésistantes. Du fait de ces deux avantages, les ions (en général C6+ ou protons) sont utilisés pour traiter des tumeurs situées dans des tissus sensibles comme le cerveau, le cou et l'œil, ainsi que les tumeurs chez l'enfant. En utilisation clinique, il est nécessaire d'envoyer des ions de différentes énergies pour pouvoir irradier la totalité de la tumeur. Dans ces conditions, le dépôt de dose dans les tissus sains situés avant la tumeur, le dépôt de dose reste important. C'est une limitation majeure de la technique. Les performances de l'hadronthérapie peuvent être améliorées en introduisant des radiosensibilisateurs dans la tumeur qui permettraient d'augmenter l'efficacité du rayonnement dans la tumeur spécifiquement (nanoparticules fonctionnalisées). Enfin, ces nanoparticules, lorsqu'elles contiennent un composé actif en IRM, peuvent simultanément être utilisées pour suivre la localisation et la transformation de la tumeur. L'état actuel des connaissances dans le domaine d'étude « nanomedicine pour la radiothérapie » Les métaux nobles, notamment l'or, sont utilisés en médecine depuis longtemps [21. Plus récemment, des nanoparticules d'or (AuNPs) ont été proposées comme radiosensibilisateurs potentiels pour le traitement du cancer par rayonnement X [31. En particulier, les AuNPs fonctionnalisées avec du glucose sont de bons candidats pour le traitement du cancer du sein [4]. En même temps, les mécanismes fondamentaux de l'amplification des effets induits par des rayonnements ionisant (photons et ions) ont été étudiés à l'échelle moléculaire avec nanoparticules d'or et des rayons X [51, et par le groupe de Mme. Lacombe en utilisant des NPS de platine avec des ions Ces travaux montrent en particulier que les NPS induisent des perturbations physiques d'échelle nanoscopique. Ces perturbations sont à l'origine de l'amplification des dommages biologiques complexes et de l'amplification de la mort cellulaire en présence de NPS. Enfin le groupe a dernièrement montré que cet effet amplificateur est lié à la présence des NPS dans le cytoplasme des cellules exclusivement et non dans le noyau. Pourtant un champ entier reste à comprendre pour mieux prédire ces effets d'amplification, c'est l'ensemble de l'impact biologique que ces NPS combinées aux radiations génèrent dans les cellules. Objectifs Le principal objectif de cette thèse est l'étude de l'impact biologique des NPS sur les cellules. Ceci comprend la quantification précise de l'internalisation des NPS dans différentes lignées cellulaires, le mode d'internalisation (ex : endocytose), le type de mort cellulaire qu'elles génèrent, l'impact sur l'ADN nucléaire. Les effets de nanoparticules (NPS) contenant des atomes lourds (de numéro atomique Z élevé) comme du platine, de l'or et du gadolinium seront étudiées. Ce projet s'inscrit dans le cadre du projet Marie Curie ITN ARGENT (Advanced Radiotherapies and Generated Nanoscale Processes and Technologies)-Z014-17. Étapes du projet-Moyens et méthodes Le travail de thèse sera axé sur le développement de différents nano-matériaux de tailles, formes, compositions et fonctionnalisation diverses. La quantification des NPS sera réalisée par ICP-MS La localisation des NPS par microscopies TEM, STEM, Synchortorn radiation-DUV, confocale. La co-localication avec des organites de la cellule par marquage fluorescent et microscopie confocale. Des expériences sous microscopie X seront mises au point et utilisées grâce à un séjour d'environ 6 mois dans le groupe de F. Curell (Belfast, UK) La toxicité des NPS sera évaluée par tests de survie clonogénique. L'impact sur l'ADN nucléaire sera réalisé par marquage immunofluorescent. L'impact sur les voies de mort cellulaire sera étudié par cytofluorimétrie. L'étudiant fera un séjour d'Imois dans une spin-off (Nano-H, Lyon et/ou IBA, Namur, Belgique) pour acquérir des compétences en management d'entreprise). Il sera par ailleurs amené à visiter nos collaborateurs médecins (JL Habrand, Caen) pour déterminer les cas pertinents de lignées cellulaires à utiliser comme modèles. Par ailleurs, le doctorant participera à l'école d'été Européenne SoSMSE (School on Science Management for Scientists and Engineers) afin d'améliorer ses compétences en outils entrepreneuriaux. L'étudiant en contact permanent avec le consortium Européen mis en place pour la conduction de ces travaux en parallèle avec le travail d'autres jeunes scientifiques dans d'autres équipes Européennes. Des activités obligatoires de communication et de mise n réseau sont intégrées au programme. Compétences acquises Ce travail sur 3 ans permettra à l'étudiant d'acquérir : de nouvelles compétences en sciences et technologies concernant l'effet des NPS dans les cellules (voir techniques mentionnées ci-dessus). Des compétences pour travailler dans différents environnements scientifiques (physique, chimie, biologie); Des compétences pour travailler dans le cadre d'un réseau Européen multidisciplinaire; Des compétences pour ses travaux; Des compétences pour transférer le résultat de ses travaux du secteur académique au secteur privé. Cette thèse lui permettra également : D'apprendre à diffuser ses connaissances et résultats à travers diverses conférences et séminaires ; Image d'apprendre à écrire des articles scientifiques en anglais ; Image d'enrichir son réseau professionnel ; Image d'apprendre à travailler en groupe ; Image d'apprendre à travailler de façon autonome L'ensemble de cette formation et de cette expérience permettra de favoriser l'insertion professionnelle de l'étudiant.

  • Titre traduit

    Radiosensitization by nanoparticles in hadrontherapy: biological impacts


  • Résumé

    Radiosensitization by nanoparticles in hadrontherapy: biological impacts. PhD student: Vladimir Ivosev Supervisor: Sandrine LACOMBE. Orsay Institute of Molecular Science, University Paris Sud, Bldg. 351, 91405 Orsay, France. Motivation According to the World Health Organization, worldwide, 7.6 million deaths were caused by cancer in 2008 (approximately 130/0 of all deaths) and this number is expected to increase to over 13.1 million in 2030 [1]. 500/0 of patients are treated with radiation. However, conventional radiation therapy, based on use of beams of high energy photons X is limited by the sensitivity of the healthy tissue surrounding the tumor which may be damaged. Thus, the establishment of new protocols that would improve treatment remains a major societal priority. Hadrontherapy based on the use of fast ion beams to irradiate and destroy tumors. Ions, unlike photons, possible to deposit the majority of the energy at the end of trace, in a specific volume. The carbon ions are also three times more efficient than the high energy photons, which can be considered for treatment of radioresistant tumor. Because of these two advantages, the ions (usually C6 + or protons) are used to treat tumors in sensitive tissues such as the brain, neck and the eye, as well as tumors in children. In clinical use, it is necessary to send ions of different energies in order to irradiate the entire tumor. Under these conditions, the dose deposition in healthy tissue located before the tumor, the dose deposition remains high. This is a major limitation of the technique. Hadrontherapy performance can be improved by introducing radiosensitizers in the tumor that would increase the effectiveness of radiation specifically to the tumor (functionalized nanoparticles). Finally, these nanoparticles, when they contain an active compound in MRI, can simultaneously be used to track the location and processing of the tumor. The current state of knowledge in the field of study "nanomedicine for radiotherapy" Precious metals, especially gold, are used in medicine for a long time [21. More recently, gold nanoparticles (AuNPs) have been proposed as potential radiosensitizers for cancer treatment by radiation X [31. In particular, the AuNPs functionalized with glucose are good candidates for breast cancer treatment. [4] At the same time, the basic mechanisms of the amplification of the effects induced by ionizing radiation (photons and ions) were studied at the molecular level with gold nanoparticles and X-rays [51, and the group Ms. Lacombe using NPS platinum with ions This work in particular shows that NPS induce physical scale disturbances nanoscopic. These disturbances are the source of the amplification of complex biological damage and amplification of cell death in the presence NPS. Finally the group has recently shown that this amplifier effect is related to the presence of NPS in the cytoplasm of cells only and not in the core. Yet an entire field is to understand to better predict the amplifying effects, all of the biological impact that these NPS combined radiation generated in the cells. objectives The main objective of this thesis is the study of the biological impact of NPS on cells. This includes the precise quantification of the internalisation of NPS in different cell lines, the internalization fashion (eg endocytosis), the type of cell death that they generate, the impact on nuclear DNA. The effects of nanoparticles (NPS) containing heavy atoms (high atomic number Z) such as platinum, gold and gadolinium be considered. This project is part of the Marie Curie ITN Money project (Advanced radiotherapy and Generated Nanoscale Processes and Technologies) -Z014-17. Steps project Means and Methods The thesis will focus on the development of various nanomaterials of sizes, shapes, various compositions and functionalization. Quantification of NPS will be performed by ICP-MS The location of the NPS by microscopy TEM, STEM, Synchrotron DUV-radiation, confocal. Co-localization with cell organelles by fluorescent labeling and confocal microscopy. X under microscopy experiments will be developed and used with a stay of about 6 months in the group F. Currell (Belfast, UK) The toxicity of the NPS will be evaluated by clonogenic survival tests. The impact on the nuclear DNA will be directed by immunofluorescent labeling. The effect on cell death pathways will be studied by flow cytometry. The student will stay for Imois in a spin-off (Nano-H, Lyons and / or IBA, Namur, Belgium) to acquire business management skills). It will also have to visit our medical staff (JL Habrand, Caen) to determine the relevant case of cell lines for use as models. Furthermore, the student will attend summer school European SoSMSE (Science School of Management for Scientists and Engineers) to improve his skills in entrepreneurial tools. The student in constant contact with the European consortium set up for the conduction of this work in parallel with the work of other young scientists in other European teams. Mandatory activities of communication and networking n are included in the program. Acquired skills This work over 3 years will allow the student to acquire: new skills in science and technology on the effect of NPS in cells (see above mentioned techniques). Skills to work in different environments science (physics, chemistry, biology); Skills to work as part of a multidisciplinary European network; Skills to its work; Skills to transfer the results of its work in the academic sector to the private sector. This thesis also allow it: Learn to disseminate knowledge and results through various conferences and seminars; Image to learn to write scientific papers in English; Image enriching professional network; Image learn to work in groups; Image learn to work independently All this training and this experience will promote the integration of the student.