CONTRAT DOCTORAL (SCB/CBS2) - Nouvelle génération de « Scaffolds » multifonctionnels pour la délivrance contrôlée de médicaments dans le traitement des métastases osseuses de cancer du sein

par Habib Belaid

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de David Cornu et de Mikhael Bechelany.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec IEM - Institut Européen des Membranes (laboratoire) et de DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le cancer est un problème de santé public considérable qui cause 8,2 millions de décès par an selon l'OMS (2012). On prévoit que ce nombre augmentera de 70% dans les deux prochaines décennies. Divers médicaments anti-cancéreux et des procédés plus lourds tels que la chirurgie, la chimiothérapie, ou la radiothérapie sont utilisées pour contenir et/ou éradiquer les cellules tumorales. Malheureusement, ces méthodes de traitement atteignent également les cellules non-cancéreuses et provoquent des effets secondaires graves tels que des déséquilibres métaboliques, des lésions irréversibles, etc. Les recherches se sont donc orientés vers la délivrance plus ciblée de médicaments en utilisant de nouveaux supports tels que des liposomes, des micelles ou des microsphères. Cependant, ces systèmes ne permettent pas une efficacité de charge élevée de médicament. Ils conduisent également à une libération rapide de médicament ce pouvant endommager les cellules normales. La croissance des cellules tumorales disséminées est la principale cause de décès chez les patients atteints d'un cancer. Par exemple, le cancer du sein induit des métastases dans les os causant une douleur considérable et une augmentation de la morbidité des patients. Plus de 50% des patients atteints d'un cancer du sein à un stade précoce ont des cellules cancéreuses dans la moelle osseuse au moment du diagnostic. Pour un grand nombre de ces patients, les objectifs thérapeutiques comprennent la diminution de la croissance tumorale, la prévention des métastases, ainsi que l'inhibition du développement de complications osseuses liées à la tumeur. Depuis des décennies, le traitement des pathologies osseuses est un défi dû à la difficulté qu'à l'os à s'auto-réparer en cas de maladies. De ce fait, les patients sont souvent traités par l'implant d'une jonction artificielle passive par voie chirurgicale. Cette méthode consiste à favoriser la croissance cellulaire sur un biomatériau de structure 3D appelé « scaffold ». Dans cette approche, la morphologie, la composition chimique et les propriétés physico-chimiques et mécaniques du « scaffold » jouent un rôle clef puisqu'il doit présenter une morphologie et des propriétés imitant la structure multi-échelle de la matrice extracellulaire osseuse afin de permettre l'adhésion, la différenciation et la prolifération des cellules. Dans le cas du traitement de métastases osseuses, il serait intéressant que le « scaffold » puisse permettre la libération contrôlé et local des anticancéreux. L'objectif de cette thèse sera le développement et la caractérisation de nouveaux implants biodégradables biomimétiques permettant à la fois la régénération osseuse et l'éradication des cellules cancéreuses pour le traitement du cancer du sein. Nous développerons de nouveaux procédés originaux pour obtenir de 'scaffolds' structuré par l'impression 3D et / ou injectables. L'avantage majeur de ces structures réside dans la parfaite biocompatibilité avec des propriétés mécaniques similaires à celles des tissus. Les scaffolds contiendront des molécules stimulant la formation osseuse (bisphosphonates) et l'inhibition de la prolifération des cellules du cancer du sein estrogéno-dépendantes (Raloxifene). La thèse sera divisée en 3 parties principales: 1) Concevoir des scaffolds à base de biopolymères chargés avec de médicament (IEMM): les «scaffolds» seront développés en utilisant un procédé d'impression 3D. Une solution alternative basée sur des « scaffolds » injectables sera aussi développée en fonction de la taille de la jonction artificielle passive à implanter. 2) Comprendre la cinétique de la libération de médicament, étudier la toxicité in vitro et la cinétique de la mort des cellules cancéreuses pour les scaffolds (IEMM et INSERM): La toxicité des scaffolds et la prolifération des cellules sur la matrice sera analysée en utilisant le test MTT et le dosage LDH. L'adhésion des cellules osseuses sur les scaffolds sera analysée en utilisant des cellules fluorescentes. La cinétique de libération des médicaments sera étudiée in vitro afin de vérifié l'intégrité des structures 3D. La cinétique de mort des cellules MCF-7 du cancer du sein induit par la libération contrôlée du médicament sera analysée. 3) Etudier la biocompatibilité in vivo et l'efficacité des scaffolds sur la régénération osseuse et la mort des cellules cancéreuses (INSERM): La toxicité des scaffolds sera analysée après implantation chez la souris at mesure de la réponse inflammatoire. L'efficacité anticancéreuse de libération contrôlée du médicament sera analysée sur la prolifération des cellules du cancer du sein après l'implantation sous-cutanée des cellules cancéreuses du sein luminescentes (ou après implantation orthotopique par injection intratibiale ou intrafémorale) en présence ou en l'absence des scaffolds chargés. L'efficacité du relargage du bisphosphonate sur la formation osseuse sera étudiée par tomographie ainsi que par analyse histologique en utilisant un test in vivo reposant sur l'introduction d'altérations osseuse chez le rat ou la souris combinées avec l'implantation ou non des scaffolds.

  • Titre traduit

    CONTRAT DOCTORAL (SCB/CBS2) - New generation of 3D scaffolds for multiple drug delivery in the treatment of bone metastasis of breast cancers


  • Résumé

    Cancer is a tremendous health problem which leave 8.2 million people dead according to WHO as reported in 2012. This number is expected to grow up to 70% in the next two decades. Various anti-cancer drugs and treatment methods such as surgery, chemotherapy, radiation, and hormone therapy are employed to control and eradicate the tumors. Unfortunately, these treatment methods also target the fast growing normal cells and causes serious side effects such as metabolic imbalance, kidney damage, nausea etc. Hence research is focused towards the targeted drug delivery using new carriers such as liposomes, micelles, and microsphere. However, such systems do not provide high drug loading efficiency and exhibit initial burst release which damages the normal cells. The growth of disseminated tumor cells is the primary cause of death in patients with cancer. For instance, breast cancer commonly metastasizes to bone causing considerable pain and high patient morbidity. More than 50% of patients with early-stage breast cancer have cancer cells in their bone marrow at the time of diagnosis. For many of these patients, treatment goals include decreasing tumor growth, preventing further metastases and inhibiting the development of tumor-associated bone complications. The treatment of bone is a challenge due to the difficulty that has the bone to repair itself. Thus, patients are often treated by implanting a passive artificial junction. The principle of this method is based on the promotion of cell growth on a bio-inspired 3D material 'scaffold'. In this approach, the morphology, the chemical composition and the physicochemical properties of the 'scaffold' play a key role. Indeed the materials must exhibit morphology and properties mimicking the multi-scale structure of the extracellular matrix of the bone to allow the adhesion and the cell proliferation. Finally, for the treatment of patients with bone metastasis, it would be interesting that the 'scaffold' could allow the controlled and local release of anticancer drugs. The aim of this thesis is the development and characterization of novel biomimetic biodegradable implants allowing both bone regeneration and breast cancer cell eradication. Our goal is to develop new original processes for the development of 'scaffolds' based on 3D printing or/and Injectable scaffolds. The major advantage of such structures lies in the perfect biocompatibility with the mechanical properties similar to those of tissues. The scaffolds will contain molecules stimulating bone formation (bisphosphonates) and inhibiting the proliferation of estrogen-dependent breast cancer cells (Raloxifen). The thesis will be divided into 3 main parts: 1) Design of drugs/biopolymer scaffolds (IEMM): the 'scaffolds' will be developed using the 3D printing process. An alternative solution based on injectable scaffold solution will be as well developed as the function of the passive artificial junction to be implanted. 2) Understanding the drug release kinetics, study the in vitro toxicity and the kinetics of cancer cell death for the scaffolds (IEMM and INSERM): The scaffolds toxicity and the cell proliferation on the matrix will be analysed using the MTT assay and LDH assay. The attachment of bone cells on the scaffolds will be analysed by fluorescent staining of the cells. The release kinetics of the drugs and the kinetics of MCF-7 breast cancer cell death with drug release will be analysed. 3) Understanding the in vivo biocompatibility and efficacy of the scaffolds on bone regeneration and cancer cell death (INSERM): The scaffolds toxicity will be analysed after grafting in mice. The inflammatory response will be investigated. The efficacy of anticancer drug release will be analysed on breast cancer cell proliferation after implanting the luminescent breast cancer cells subcutaneously (or orthotopically after intratibial or intrafemoral injection) in the presence or absence of the loaded scaffolds. The efficacy of bisphosphonate release on bone formation will be investigated by tomography and histological analysis using an in vivo assay based on bone defect in rat or mice combined with implantation or not of the scaffolds.