Réponse du cerveau sain, des cellules souches neuronales et du glioblastome à une nouvelle technique de radiothérapie Flash

par Pierre-gabriel Montay-Gruel

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de François Boussin et de Marie-Catherine Vozenin brotons.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec l'Université de Lausanne , dans le cadre de École doctorale Cancérologie, Biologie, Médecine, Santé (Villejuif, Val-de-Marne) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2014 .


  • Résumé

    Chaque année en Europe, plus de 3 millions de patients cancéreux sont traités par des traitements combinés de chirurgie, radiothérapie, chimiothérapie et thérapie ciblée. Environ 60% d'entre eux bénéficient d'un traitement de radiothérapie qui malgré les avancées technologiques récentes est toujours confrontée à la survenue d'effets secondaires sur le tissu sain entourant la tumeur, ce qui limite la possibilité d'escalade de dose et nécessite encore d'optimiser le ratio bénéfice/risque. Nous proposons une nouvelle technique de radiothérapie Flash (>50Gy/s) permettant de délivrer la dose de rayons en un temps inférieur à 500ms. Les études précliniques réalisées antérieurement ; au laboratoire de Radio-Oncologie du CHUV et en collaboration avec l'Institut Curie, le CEA et l'IGR ; ont montré que cette technique améliore l'index thérapeutique de la radiothérapie en diminuant l'effet toxique sur les tissus sains tout en maintenant l'effet antitumoral. Les glioblastomes multiformes (GBM) et les métastases cérébrales sont des tumeurs extrêmement agressives, peu radiosensibles et de mauvais pronostic. La radiothérapie conventionnelle est responsable d'importants effets secondaires radio-induits au niveau de la boîte crânienne et de l'encéphale. Cette toxicité ne permet pas l'escalade de dose nécessaire au contrôle de ces tumeurs et justifie la mise en place de nouvelles techniques permettant d'augmenter l'index thérapeutique de la radiothérapie. Nous proposons dans ce projet de thèse d'évaluer la toxicité cérébrale de l'irradiation Flash sur le tissu sain et sur les cellules souches neuronales, ainsi que son efficacité dans le traitement des tumeurs cérébrales in-vivo. Les résultats que j'ai obtenu lors de mon stage de master on permis de mettre en évidence la possibilité d'augmenter les doses d'un facteur cinq par rapport à l'irradiation conventionnelle sans augmenter la toxicité au niveau de l'encéphale et de définir la Dose Maximale Tolérée (DMT) entre 50 et 60Gy Flash dose unique pan encéphalique. Une préservation des cellules souches neuronales en corrélation avec un maintien des fonctions cognitives a également été mise en évidence après irradiation pan encéphalique Flash, ce qui n'est pas observé lors d'une irradiation conventionnelle. Ces résultats montrent que l'augmentation du débit de dose permet l'utilisation de très hautes doses d'irradiation tout en préservant le tissu cérébral sain et notamment les CSN, laissant penser que l'irradiation Flash pourrait permettre de contrôler voire de faire régresser des tumeurs cérébrales grâce à une escalade de dose. Dans ce but, des modèles murins de tumeurs cérébrales seront développés par greffes sous-cutanée et intracrânienne ainsi qu'un modèle de souris transgénique fourni par le Pr. Hanahan (EPFL) développant des GBM spontanés. Ces différents modèles tumoraux nous permettront d'évaluer l'efficacité antitumorale de l'irradiation Flash en délivrant des escalades de doses et en comparant l'irradiation Flash à l'irradiation conventionnelle. En parallèle, les études sur le cerveau sain seront approfondies notamment en ce qui concerne la toxicité de cette irradiation sur les cellules souches neuronales, les vaisseaux sanguins, les axes endocriniens, les cellules neuronales et gliales (mort cellulaire, gliose, dommages génétiques). Les capacités cognitives des animaux irradiés, sains ou pathologiques, seront également investiguées grâce à des tests de comportement. Enfin, les aspects moléculaires sous-jacents expliquant l'effet différentiel de l'irradiation Flash seront étudiés grâce à l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques des voies moléculaires Notch et c-kit impliquées dans la dynamique des cellules souches et dans le processus de carcinogenèse. Ces études seront réalisées à la fois sur des animaux sains, afin d'étudier les processus moléculaires de la préservation du tissu sain, et sur des animaux porteurs de tumeurs cérébrales afin de mettre en évidence les voies moléculaires impliquées dans l'effet antitumoral de l'irradiation Flash.

  • Titre traduit

    Normal Brain, Neural Stem Cells and Brain Tumors response to FLASH radiotherapy.


  • Résumé

    Réponse du cerveau sain, des cellules souches neuronales et du glioblastome à une nouvelle technique de radiothérapie Flash Sous la direction de Dr. François BOUSSIN Pr. Jean BOURHIS CEA Fontenay – Aux – Roses Centre Hospitalier Universitaire Vaudois Laboratoire de Radio-Pathologie Laboratoire de Radio-Oncologie 18, route du Panorama Dirigé par le Dr. M.-C. VOZENIN 92265 Fontenay – Aux – Roses CEDEX Rue du Bugnon, 46 00 33 (0)1 46 54 92 01 CH -1011 LAUSANNE SUISSE boussin@cea.fr 00 41 (0)21 692 59 00 marie-catherine.vozenin@chuv.ch Ce projet s'inscrit dans une perspective de cotutelle entre le laboratoire de Radio-Pathologie du CEA dirigé par François BOUSSIN et le laboratoire de Radio-Oncologie du CHUV à Lausanne dirigé par M.-C. VOZENIN et Jean BOURHIS. Chaque année en Europe, plus de 3 millions de patients cancéreux sont traités par des traitements combinés de chirurgie, radiothérapie, chimiothérapie et thérapie ciblée. Environ 60% d'entre eux bénéficient d'un traitement de radiothérapie qui malgré les avancées technologiques récentes est toujours confrontée à la survenue d'effets secondaires sur le tissu sain entourant la tumeur, ce qui limite la possibilité d'escalade de dose et nécessite encore d'optimiser le ratio bénéfice/risque. Nous proposons une nouvelle technique de radiothérapie Flash (>50Gy/s) permettant de délivrer la dose de rayons en un temps inférieur à 500ms. Les études précliniques réalisées antérieurement ; au laboratoire de Radio-Oncologie du CHUV et en collaboration avec l'Institut Curie, le CEA et l'IGR ; ont montré que cette technique améliore l'index thérapeutique de la radiothérapie en diminuant l'effet toxique sur les tissus sains tout en maintenant l'effet antitumoral. Les glioblastomes multiformes (GBM) et les métastases cérébrales sont des tumeurs extrêmement agressives, peu radiosensibles et de mauvais pronostic. La radiothérapie conventionnelle est responsable d'importants effets secondaires radio-induits au niveau de la boîte crânienne et de l'encéphale. Cette toxicité ne permet pas l'escalade de dose nécessaire au contrôle de ces tumeurs et justifie la mise en place de nouvelles techniques permettant d'augmenter l'index thérapeutique de la radiothérapie. Nous proposons dans ce projet de thèse d'évaluer la toxicité cérébrale de l'irradiation Flash sur le tissu sain et sur les cellules souches neuronales, ainsi que son efficacité dans le traitement des tumeurs cérébrales in-vivo. Les résultats que j'ai obtenu lors de mon stage de master on permis de mettre en évidence la possibilité d'augmenter les doses d'un facteur cinq par rapport à l'irradiation conventionnelle sans augmenter la toxicité au niveau de l'encéphale et de définir la Dose Maximale Tolérée (DMT) entre 50 et 60Gy Flash dose unique pan encéphalique. Une préservation des cellules souches neuronales en corrélation avec un maintien des fonctions cognitives a également été mise en évidence après irradiation pan encéphalique Flash, ce qui n'est pas observé lors d'une irradiation conventionnelle. Ces résultats montrent que l'augmentation du débit de dose permet l'utilisation de très hautes doses d'irradiation tout en préservant le tissu cérébral sain et notamment les CSN, laissant penser que l'irradiation Flash pourrait permettre de contrôler voire de faire régresser des tumeurs cérébrales grâce à une escalade de dose. Dans ce but, des modèles murins de tumeurs cérébrales seront développés par greffes sous-cutanée et intracrânienne ainsi qu'un modèle de souris transgénique fourni par le Pr. Hanahan (EPFL) développant des GBM spontanés. Ces différents modèles tumoraux nous permettront d'évaluer l'efficacité antitumorale de l'irradiation Flash en délivrant des escalades de doses et en comparant l'irradiation Flash à l'irradiation conventionnelle. En parallèle, les études sur le cerveau sain seront approfondies notamment en ce qui concerne la toxicité de cette irradiation sur les cellules souches neuronales, les vaisseaux sanguins, les axes endocriniens, les cellules neuronales et gliales (mort cellulaire, gliose, dommages génétiques). Les capacités cognitives des animaux irradiés, sains ou pathologiques, seront également investiguées grâce à des tests de comportement. Enfin, les aspects moléculaires sous-jacents expliquant l'effet différentiel de l'irradiation Flash seront étudiés grâce à l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques des voies moléculaires Notch et c-kit impliquées dans la dynamique des cellules souches et dans le processus de carcinogenèse. Ces études seront réalisées à la fois sur des animaux sains, afin d'étudier les processus moléculaires de la préservation du tissu sain, et sur des animaux porteurs de tumeurs cérébrales afin de mettre en évidence les voies moléculaires impliquées dans l'effet antitumoral de l'irradiation Flash. Each year in Europe, more than 3 millions cancer patients benefit from treatments combining surgery, radiotherapy, chemotherapy and targeted drugs. Approximately 60% of them benefit from radiation oncology treatments, which are nevertheless limited by their side effects on the normal tissue surrounding the tumor in spite of the recent technological breakthroughs. This is the reason why the risk-benefit ratio needs to be optimized. To respond this need, we are developing a brand new FLASH radiotherapy technique (>50Gy/s), which allows us to deliver the dose within less than 500ms. The preclinical studies lead in the Radiation-Oncology laboratory (CHUV) in collaboration with the Institut Curie, CEA and IGR have shown an increase in the therapeutic index of radiotherapy, decreasing the side effects on the normal tissue and maintaining the antitumor effect. Glioblastoma multiforme (GBM) and brain metastases are bad-prognosis associated tumors, highly aggressive and few radiosensitive. Conventional radiation therapy is responsible for significant radio-induced side effects on the skull and the encephalon. These toxicities prevent the dose escalation needed to control the tumors and justify the set up of new techniques. In this project, we plan to evaluate the toxicity of FLASH irradiation on the normal brain tissue and on the neural stem cell as well as its efficacy on the brain tumors treatment in-vivo. Results obtained during my Master thesis highlight the feasibility to increase the dose by a factor of five compared to conventional irradiation, without increasing the brain toxicity. This allowed us to define a Maximum Tolerated Dose (DMT) between 50 and 60Gy FLASH single dose to the whole brain. Moreover, after FLASH irradiation, a neurogenesis preservation correlating with cognitive skills maintenance has been observed, which is not the case after conventional irradiation. These results show that increasing the dose rate allows to deliver doses up to 50Gy single dose without impairing the normal tissue and let us think that FLASH irradiation could represent a mean to control or even cure the brain tumors using a dose escalation. In this context, murine subcutaneous and intracranial tumor models will be developed as well as a transgenic spontaneous GBM model in collaboration with Pr. Hanahan's lab (EPFL). These models will be used to evaluate the antitumor effect of FLASH irradiation, delivering dose escalation and compared with conventional irradiation. Studies on normal brain tissue will be further investigated especially concerning the toxicity on the neural stem cells, the blood vessels, endocrine axes, neurons and glial cells (cell death, astrogliosis, DNA damage). Cognitive skills of irradiated healthy or tumor-bearing animals will also be investigated using behavioral tests. Molecular aspects explaining the FLASH differential effect will be studied using pharmacological inhibitors of Notch, c-kit and Wnt pathways involved in the neural stem cells dynamics and in the tumorigenesis. Theses studies will be realized both on healthy and tumor-bearing animals in order to study the normal tissue preservation process and the antitumor effect.