Conception de modèles tridimensionnels en hydrogels supramoléculaires de sphéroïdes tumoraux issus de cellules souches cancéreuses de glioblastome

Design of three-dimensional models of tumor spheroids derived from Glioblastoma cancer stem cells in a supramolecular hydrogel

• Auteur / Autrice : Tarek Sayde
• Direction : Serge Battu, Karen Gaudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé : Innovation technologique et thérapeutique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Biologiques et Santé (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Contrôle de l’Activation Cellulaire, Progression Tumorale et Résistance thérapeutique
• Jury : Président / Présidente : Mireille Kallassy-Awad
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Battu, Karen Gaudin, Lars Petter Jordheim, Hélène Boeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mireille Kallassy-Awad, Jean-Philippe Hugnot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules souches

Glioblastome

Mots clés libres

Culture 3D

Hydrogel supramoléculaire

Glioblastome

Cellules souches cancéreuses

Sphéroïdes tumoraux multicellulaires et Nano-toxicité

3D culture

Supramolecular hydrogel

Glioblastoma

Cancer stem cells

Multicellular tumor spheroids and Nanotoxicity

Résumé

Face à l'écart croissant observé entre la culture cellulaire conventionnelle en 2D et les essais cliniques, les chercheurs se sont résolus à utiliser des modèles animaux afin d'obtenir des résultats plus pertinents. Cependant, les modèles in vivo présentent de nombreuses controverses éthiques et sont coûteux et longs à mettre en œuvre. Par conséquent, la culture tridimensionnelle est apparue comme une solution intermédiaire, comprenant un réseau complexe dans lequel les cellules se développent d'une manière semblable à la physiologie. Dans ce projet de thèse, nous nous sommes concentrés sur la maîtrise d'une série d'études en vue de construire un système 3D reproductible basé sur des sphéroïdes tumoraux multicellulaires. Ces études impliquent, d'une part, la conception d'une nouvelle matrice 3D à base d'hydrogel supramoléculaire, avec des propriétés physico-chimiques définies et adaptées à la lignée cellulaire d'intérêt. Et d'autre part, la culture 3D inédite d'une population de cellules souches cancéreuses. Grâce à leurs caractéristiques intrinsèques uniques d'auto-renouvellement et de multipotence, les cellules souches cancéreuses permettent de générer des sphéroïdes reproductibles présentant des caractéristiques biologiques similaires à la tumeur d'origine. Compte tenu des faibles proportions de CSC en culture cellulaire, nous avons orienté cette recherche vers une lignée cellulaire de Glioblastome (U87-MG) qui est un cancer très hétérogène et qui présente un taux élevé de CSC par rapport aux autres lignées. Après un criblage de différents molécules gélifiantes de faible poids moléculaire, un hydrogel de glycosyl-nucléoside-bolaamphiphile a été choisi pour la culture 3D. La nature chimique et la concentration de cet hydrogel a été réajustée pour atteindre une viscoélasticité similaire à celle du microenvironnement cérébral, adaptée aux cellules de Glioblastome. Simultanément, les cellules souches cancéreuses ont été isolées de la population hétérogène à l'aide d'une méthode de fractionnement par couplage flux-force de sédimentation qui est bien adaptée et définie pour le tri des cellules de Glioblastome. Ensemble, ces deux éléments essentiels nous a permis de proposer un modus operandi maîtrisé qui permet d'établir une plateforme de sphéroïdes tumoraux reproductibles disponible pour une variété de tests (thérapeutiques, tumorigènes, de toxicité, etc.). L'émergence de nanoparticules dans l’environnement en raison de leur utilisation croissante constitue un problème majeur en santé publique. Notre plateforme 3D présente des propriétés potentiellement adaptées pour évaluer leur impact sur des systèmes vivants. Par conséquent, nous présentons dans ce projet une étude préliminaire de cette plateforme comme bioindicateur pour l'évaluation de la toxicité des nanoparticules d'argent manufacturées. Cette preuve de concept a été réalisée en suivant une méthodologie spécifique : 1) la conception et la caractérisation biologique du système 3D, 2) la caractérisation physico-chimique des nanoparticules d'argent, 3) l'évaluation de l'impact des nanoparticules sur la culture cellulaire 2D et 4) l'évaluation de l'impact sur la culture cellulaire 3D. L'écart entre les résultats obtenus en culture 2D et 3D souligne l'importance des modèles 3D dans les tests de toxicité.

With the increasing gap observed between conventional 2D cell culture and clinical assays, researchers resolved to animal models in order to obtain more relevant results. However, in vivo models present many ethical controversies, and they are cost and time consuming. Therefore, three-dimensional culture emerged as a middle ground, enclosing a complex network in which cells grow in a physiological-like manner. In this thesis project, we focus on mastering a series of studies in the light of building reproducible 3D system based on multicellular tumor spheroids. These studies involve, on one hand, the conception of a new supramolecular hydrogel-based 3D matrix, with defined physicochemical properties adapted to the cell line of interest. And on another hand, the unprecedented 3D culture of a population of cancer stem cells. Owing to their intrinsic unique characteristics of self-renewal and multipotency, cancer stem cells will allow the generation of reproducible spheroids with biological features similar to the tumor of origin. Considering the low proportions of CSCs in cell culture, we directed this research to a Glioblastoma cell line (U87-MG) which is a highly heterogeneous cancer and has a greater rate of CSCs compared to other lineages. Following a screening of different low molecular weight gelators, a glycosyl-nucleoside-bolaamphiphile hydrogel has been chosen for the 3D culture. The concentration of this hydrogel has been readjusted to achieve a viscoelasticity similar to the cerebral one, in order to accommodate Glioblastoma cells. Simultaneously, cancer stem cells are isolated from the heterogeneous population using sedimentation field-flow fractionation method that is well adapted and defined for Glioblastoma cell sorting. Taken together, these two essential building blocks consist of a mastered modus operandi that allows the establishment of a platform of reproducible tumor spheroids for a variety of assays (therapeutic, tumorigenic, toxicity etc.). For instance, the uncontrollable emergence of silver nanoparticles together with the lack of understanding of their impact on public health, require a platform to assess their potential hazardous effect on living systems. Therefore, we highlight in this study a preliminary use of this biological platform as a bioindicator for the assessment of the toxicity of manufactured silver nanoparticles. This proof of concept is conducted following a specific methodology: 1) the conception and biological characterization of the 3D system, 2) the physicochemical characterization of silver nanoparticles, 3) assessing the impact of the nanoparticles on 2D cell culture and 4) assessing the impact on 3D cell culture. The gap in the results between 2D and 3D culture, highlights furthermore the significance of 3D models in toxicity assays, but also in future therapeutic approaches.