Sphéroïdes tumoraux en lévitation acoustique : structuration et impact des contraintes mécaniques

Acoustically levitated tumor spheroids : structuring and impact of mechanical stress

• Auteur / Autrice : Xavier Mousset
• Direction : Jean-Michel Peyrin, Jean-Luc Aider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 08/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Diego Baresch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Descroix, Claire Wilhelm
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Vayssade, Giovanni Cappello

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lévitation acoustique

Pression de radiation acoustique

Glioblastome

Cellules cancéreuses

Contraintes (mécanique)

Mots clés libres

Spheroids

Glioblastome

Lévitation acoustique

Force de radiation acoustique

Culture cellulaire

Contrainte mécanique

Spheroids

Glioblastoma

Acoustic levitation

Acoustic radiation force

Cell culture

Mechanical stress

Résumé

Au cours de l'organogenèse, les contraintes mécaniques sont nécessaires pour guider la morphogenèse des tissus et assurer leur fonctionnement normal. Au cours du développement tumoral, elles jouent également un rôle dans la progression de la maladie. Parmi les tumeurs cérébrales les plus fréquentes chez l'adulte, le glioblastome est la plus agressive. Il touche majoritairement les personnes de plus de 50 ans pour un pronostic sombre malgré les avancées thérapeutiques. Les tumeurs de glioblastome se développent dans un environnement mécaniquement complexe, comprenant des forces de compression, de tension et de cisaillement exercées sur les cellules tumorales par le micro-environnement cérébral. Ces contraintes peuvent, par exemple, favoriser la division et l'invasion cellulaire ou affecter la réponse aux traitements tels que la radiothérapie ou la chimiothérapie. Comprendre comment ces contraintes mécaniques affectent les tumeurs de glioblastome pourrait permettre d'améliorer la compréhension de ces tumeurs et de leur micro-environnement en vue de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour lutter contre le cancer. Les modèles tissulaires permettent des études 'in vitro', indispensable dans la recherche contre le cancer. Le sphéroïde, qui résulte de l'auto-organisation de cellules en sphère, est considéré comme un bon modèle notamment en cancérologie où il est utilisé pour étudier le développement tumoral. A l'aide d'une onde acoustique stationnaire, il est possible de faire léviter des objets d'une taille comprise entre µm et mm. En plus de la lévitation, il est possible de modifier le champ de contraintes mécaniques généré par acoustique et s'appliquant à l'objet en lévitation, rendant possible la structuration de l'objet et l'étude de l'impact des contraintes mécaniques appliquées. Ce travail de thèse a donc consisté à mettre au point une technique de culture cellulaire en lévitation acoustique, puis de l'appliquer à des sphéroïdes formés à partir de lignées cellulaires de glioblastomes issus de patients. Ce travail de recherche a débuté par la mise en place d'un nouveau système de culture long-terme suivi par la démonstration de la viabilité des cellules après une semaine de culture en lévitation. Une preuve de concept de structuration de sphéroïde permise par ce système de culture est réalisée en modélisant l'infiltration de cellules immunitaires de type macrophage dans un sphéroïde tumoral de glioblastome. Le bioréacteur acoustique a ensuite été caractérisé par des mesures de vélocimétrie et de suivi de particules. Un modèle numérique, correspondant aux mesures expérimentales, a également été développé. L'importance des paramètres acoustiques et des possibilités qu'ils apportent en termes de manipulation et de structuration sont explicités. Pour finir, le début d'une étude sur l'impact des contraintes mécaniques sur la prolifération et la densité de sphéroïdes de glioblastomes en lévitation est détaillé. En conclusion, cette thèse montre que la lévitation acoustique est une méthode prometteuse pour l'étude de la formation de sphéroïdes cellulaires, en particulier des sphéroïdes de glioblastomes, ainsi que pour comprendre l'impact des contraintes mécaniques sur leur développement. Il a été montré, au travers de ce travail de thèse, que ce système peut cultiver des cellules jusqu'à 6 jours sans renouveler le milieu. Les expériences d'augmentation des contraintes mécaniques exercées sur les sphéroïdes de glioblastomes semblent montrer une augmentation de leur prolifération et de leur densité, ce qui souligne l'importance de l'environnement mécanique pour le développement tumoral. Ce nouveau système offre un large panel d'applications, d'autant que plusieurs types de sphéroïdes cellulaires ont été générés avec ce système (sphéroïdes neuronaux, tumoraux et épithéliaux). Parmi les applications possibles, l'infiltration de tumoroïdes cérébraux par des macrophages, a notamment été démontré.

During organogenesis, mechanical stresses are necessary to guide tissue morphogenesis and ensure normal function. During tumor development, they also play a role in disease progression. Among the most common brain tumors in adults, glioblastoma is the most aggressive. It mainly affects people over 50 years of age and has a poor prognosis despite therapeutic advances. Glioblastoma tumors develop in a mechanically complex environment, including compression, tension and shear forces exerted on the tumor cells by the brain microenvironment. These constraints can, for example, promote cell division and invasion or affect the response to treatments such as radiotherapy or chemotherapy. Understanding how these mechanical stresses affect glioblastoma tumors could lead to a better understanding of these tumors and their microenvironment in order to develop new therapeutic strategies to fight cancer. Tissue models allow 'in vitro' studies, which are essential in cancer research. The spheroid, which results from the self-organization of cells into a sphere, is considered a good model, especially in cancer research where it is used to study tumor development. With the help of a standing acoustic wave, it is possible to levitate objects with a size between µm and mm. In addition to levitation, it is possible to modify the mechanical stress field generated by acoustics and applied to the levitated object, making it possible to structure the object and to study the impact of the applied mechanical stresses. This thesis work consisted in developing a cell culture technique in acoustic levitation, then applying it to spheroids formed from glioblastoma cell lines from patients. This research work began with the implementation of a new long-term culture system followed by the demonstration of cell viability after one week of levitation culture. A proof of concept of spheroid structuring allowed by this culture system was achieved by modeling the infiltration of macrophage-like immune cells into a glioblastoma tumor spheroid. The acoustic bioreactor was then characterized by particle image velocimetry and particle tracking measurements. A numerical model, corresponding to the experimental measurements, was also developed. The importance of the acoustic parameters and the possibilities they bring in terms of manipulation and structuring are explained. Finally, the beginning of a study on the impact of mechanical constraints on the proliferation and density of levitated glioblastoma spheroids is detailed. In conclusion, this thesis shows that acoustic levitation is a promising method to study the formation of cell spheroids, in particular glioblastoma spheroids, and to understand the impact of mechanical constraints on their development. It has been shown, through this thesis work, that this system can grow cells up to 6 days without renewing the medium. Experiments with increasing mechanical stress on glioblastoma spheroids seem to show an increase in their proliferation and density, which underlines the importance of the mechanical environment for tumor development. This new system offers a wide range of applications, especially since several types of cellular spheroids have been generated with this system (neuronal, tumor and epithelial spheroids). Among the possible applications, the infiltration of brain tumoroids by macrophages has been demonstrated.