Academic literature on the topic 'Cancer sur puce'

Le cancer de l’ovaire constitue un véritable enjeu de santé public. Les nouveaux traitements se heurtent par ailleurs à des taux d’échec très élevés. Ceci s’explique notamment pour le manque de fiabilité des modèles précliniques classiques tels que la culture cellulaire en 2D. De nouveaux outils basés sur la culture cellulaire en 3D ont alors fait leur apparition tels que les sphéroïdes et les organoïdes. Or ces modèles ont leurs propres limites (coûts, difficultés d’application). La bio-impression 3D est une nouvelle approche permettant de créer des modèles tumoraux de manière contrôlée et reproductible. Néanmoins, elle a encore très peu été appliquée au cancer ovarien. En plus de la troisième dimension, il est important de prendre en compte les conditions dynamiques associées à l’environnement tumoral. Ceci est possible depuis quelques années grâce à la technologie des cancers sur puce basée sur la microfluidique. Cependant, cette technologie ne permet pas, à l’heure actuelle, de simuler le trajet vasculaire du médicament en amont de son interaction avec le tissu tumoral. Dans ce projet de thèse, nous avons souhaité créer un modèle tridimensionnel et dynamique du cancer ovarien en combinant les approches de bio-impression 3D et de microfluidique. Dans un premier temps, la bio-impression 3D a été utilisée pour créer la structure tumorale à proprement parlé. Pour y parvenir, nous avons formulé un hydrogel de gélatine et d’alginate de sodium dans lequel nous avons intégré des cellules cancéreuses ovariennes (SKOV-3) et des fibroblastes cancéreux (MeWo). Le tissu tumoral bio-imprimé a ensuite été caractérisé par différentes techniques pour démontrer sa viabilité et sa pertinence biologique. Sa réponse au cisplatine a également été évaluée. Dans un second temps, nous avons intégré le modèle tumoral bio-imprimé au sein d’un support microfluidique. Le rôle de ce support était de permettre la mise en culture du tissu bio-imprimé sous flux physiologique. Il devait également permettre de simuler le trajet vasculaire du médicament avant son interaction avec le tissu tumoral. Par la suite, nous avons fait appel à la simulation en mécanique des fluides pour concevoir une version améliorée du premier système. L’objectif étant de pouvoir tester, en même temps, plusieurs concentrations différentes de médicament sur un même dispositif microfluidique. Ce projet de thèse a démontré la capacité de la bio-impression 3D à créer des tissus tumoraux ovariens viables et fonctionnels. Il a par ailleurs ouvert des perspectives de recherche très intéressantes par rapport aux possibilités de combiner la bio-impression 3D et de la microfluidique en vue d’améliorer la modélisation préclinique des cancers ovariens
Ovarian cancer is a major public health issue. Moreover, new treatments still face very high failure rates. This is mainly due to the unreliability of conventional preclinical models such as 2D cell culture. Thus, new tools based on 3D cell culture have emerged such as spheroids and organoids. However, these models have their own limitations (cost, difficulty of application). 3D bioprinting is a new approach to create tunable and reproducible tumor models. However, very few bioprinted tumor models have been reported so far. Besides the “third dimension”, it is important to consider the dynamic conditions of the tumor environment. This has been possible for some years now thanks to microfluidics-based cancer-on-a-chip technology. However, this technology currently does not simulate the drug vascular transport before its interaction with the tumor cells. In this PhD project, we set out to create a dynamic, three-dimensional model of ovarian cancer by combining 3D bioprinting and microfluidics. First, 3D bioprinting was used to create the tumor structure itself. For that, we formulated a bio-ink comprising SKOV-3 ovarian cancer cells and MeWo cancer fibroblasts embedded in a gelatin – alginate hydrogel. The bioprinted tumor structures were then characterized by various techniques to demonstrate their viability and biological relevance. Their response to anticancer drug cisplatin was also assessed. In the second step, we integrated the bioprinted tumor model into a microfluidic support for culture under physiological flow. This support was also intended to simulate the drug's vascular transport prior to interaction with the tumor tissue. We then used computational fluid dynamics to design an improved version of the first system. The aim of this improved version was to simultaneously assess multiple drug concentrations. This PhD project demonstrated the ability of 3D bioprinting to create viable and functional ovarian tumor models. It has also brought interesting research prospects with regard to the possibilities of combining 3D bioprinting and microfluidics to improve preclinical modeling of ovarian tumors

Nous présentons deux dispositifs microfluidiques dédiés à l’analyse cellulaire. Le premier système est dédié à la caractérisation de Cellules Tumorales Circulantes (CTC) dans l’objectif de permettre une meilleure prise en charge d’un patient ayant développé un cancer (pronostic, orientation du traitement le plus adapté). Afin de permettre l’analyse d’un prélèvement sanguin à haut débit, l’architecture des canaux d’un nouveau système microfluidique a été optimisée grâce à des simulations fluidiques avec le logiciel COMSOL. Les cellules sont capturées dans le microsystème par un réseau de colonnes constituées de billes magnétiques fonctionnalisées avec des anticorps dirigés spécifiquement contre une protéine membranaire exprimée par les CTC (en particulier dans les cas de cancer du sein), EpCAM (Epithelial Cell Adhesion Molecule). Ce réseau de colonnes a été stabilisé en réalisant un ancrage magnétique par assemblage capillaire. Les capacités de capture du système ont été évaluées grâce à des échantillons cellulaires modèles (lignées cellulaires, sang de donneurs sains). Une fois les cellules immobilisées sur les colonnes, l’expression de protéines spécifiques (cytokératine, CD45) peut être caractérisée par marquages immunofluorescents en imagerie confocale haute résolution. Le deuxième système microfluidique a été développé afin de pouvoir reconstruire des réseaux neuronaux dirigés. Une géométrie innovante de microcanaux a permis l’élaboration de diodes axonales. L’aptitude du système à structurer les connexions entre neurones a été évaluée avec des neurones primaires. Plusieurs types de réseaux ont ainsi été reconstruits et maintenus en culture sur 12 jours.

Les méthodes habituelles de diagnostic du cancer sont invasives et coûteuses et permettent rarement de dépister la maladie à un stade précoce. L'apparition de biomarqueurs de cancer a été mise en évidence à un stade précoce de la maladie, bien avant le développement des symptômes. Ces marqueurs sont encore peu utilisés, notamment du fait de leur présence en faible quantité chez des individus sains, mais aussi de leur manque de spécificité pris individuellement. De nos jours, les analyses cliniques pour le diagnostic ou le suivi de certains paramètres sont effectués par division des prélèvements et mesures séparées de la concentration des différents analytes cliniquement pertinents. Dans ce contexte, le développement de dispositifs permettant la détection simultanée de ces marqueurs dans les fluides biologiques représente un véritable défi. Par ailleurs, la miniaturisation des dispositifs de mesure et leur intégration sur puce ouvrent la voie vers des unités d'analyse automatisables, transportables au chevet des patients et répondant aux besoins des milieux hospitaliers en termes d'analyses rapides, sur de faibles volumes d'échantillons, à bas coût et haut débit, sensibles et spécifiques. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes permettant l'immobilisation localisée de ligands sélectifs basés sur la reconnaissance moléculaire (aptamères) sur différents matériaux de microsystèmes pour la détection simultanée de plusieurs biomarqueurs. Les aptamères sont une nouvelle classe de molécules d'ADN/ARN synthétiques, reconnus pour leur haute affinité et leur excellente spécificité pour une cible sélectionnée. Ils présentent de plus l'intérêt d'être manipulables à température ambiante, et facilement regénérable après dénaturation. Malgré ces avantages, très peu de publications portent sur les technologies à base d'aptamères pour l'extraction sélective et l'analyse de traces de biomarqueurs en dispositif microfluidique. La création de telles zones de confinement permet d'assurer la surconcentration des analytes cibles pour une meilleure performance de la détection
Common methods of cancer diagnosis are invasive, expensive and rarely allow early cancer diagnosis. The discovery of cancer biomarkers present in the early stage of the disease, well before the development of symptoms make them interesting candidate for early cancer diagnosis. These markers are still not widely used, particularly because of their low concentration in healthy patient samples, but also because of their lack of specificity taken individually. Nowadays, clinical analyses for the diagnosis are performed by dividing samples and separate measurements of the concentration of the various clinically relevant analytes. In this context, the development of devices for the simultaneous detection of these markers in biological fluids is a real challenge. In addition, the miniaturization of measurement devices and their integration on a chip opens the way to automated analysis units that can be transported to the bedside and meet the needs of hospitals for fast, low-volume, low-cost, high throughput, sensitive and specific analyses. The objective of this thesis is to develop methods for the localized immobilization of selective ligands based on molecular recognition (aptamers) on different microsystem materials for the simultaneous detection of several biomarkers. Aptamers are a new classe of synthetic DNA/RNA molecules, known for their high affinity and excellent specificity for a selected target or family of targets. They also have the advantage of being easy to handle at room temperature and easily regenerated after denaturation. Despite these advantages, very few publications have been published on aptamer-based technologies for the selective extraction and analysis of biomarker traces in microfluidic devices. The creation of such localized zones ensures the overconcentration of target analytes to improve detection performance

Le cancer du poumon non à petites cellules (CPNPC) est l'une des rares maladies tumorales, avec mélanome et carcinome vésical, pour lesquelles les médicaments immuno-oncologiques ont conduit à une révolution thérapeutique. Seuls 20 à 30% des patients atteints de CPNPC bénéficient de la monothérapie avec inhibiteurs des points de contrôle immunitaires (ICP) avec des réponses durables, tandis que les combinaisons ont conduit à réponse longue dans jusqu'à 40% des patients. Notre étude vise à mieux caractériser la modulation du microenvironnement tumoral lors d'un traitement ICP, plus ou moins une chimiothérapie concomitante, afin de guider des stratégies d'immunothérapie plus convaincantes. Inspiré par la technologie d'organes sur puce, nous avons reconstitué ex vivo un microenvironnement de tumeur pulmonaire immunocompétent simplifié en réalisant des co-cultures 3D dans des dispositifs microfluidiques. Cette approche nous a permis de réaliser une imagerie en direct et une quantification des effets de l'ICP sur l'écosystème tumoral. L’architecture de la puce se compose de trois micro-chambres parallèles, séparées par des micro-piliers qui permettent le confinement d'un hydrogel biomimétique dans le canal central par capillarité. En co-cultivant des cellules CPNPC et des lymphocytes T cytotoxiques autologues (récoltés à partir des TIL du même patient et amplifiés ultérieurement in vitro), nous pourrions récapituler, visualiser et quantifier une activité cytotoxique efficace et spécifique des cellules T contre les cellules cancéreuses autologues. Pour cela, nous avons développé un nouvel algorithme qui pourrait localiser les cellules cancéreuses et, grâce à un rapporteur fluorescent de l'activité caspase, mesurer leur mort d'une manière spécifique au temps et à l'espace. Dans ces co-cultures 3D, l'activité cytotoxique des cellules T a été renforcée par le traitement avec l'inhibiteur PD-1 et l'inhibiteur PD-L1, reconstituant ainsi sur puce une réponse ICI. De plus, cette méthode nous a permis d'extraire un paramètre, le potentiel d'induction de la mort, qui estime mathématiquement la «contagiosité de la mort» en calculant la proximité dans l'espace et le temps des signaux de mort. Fait intéressant, cette analyse nous a révélé que la mort des cellules cancéreuses causée par la chimiothérapie ou par les cellules T cytotoxiques est contagieuse, alors que dans les conditions témoins, la mort des cellules cancéreuses est stochastique. Cette observation peut avoir des implications biologiques et cliniques, par exemple en ce qui concerne « l'effet spectateur », observé après un traitement de radiothérapie. De plus, afin d'avoir un aperçu moléculaire de l'impact de la co-culture sur les cellules T, en présence ou en l'absence d'ICI, nous avons analysé par cytométrie de flux l'expression de plusieurs marqueurs de cellules T. Après 3 jours de co-culture sur puce, les lymphocytes T ont montré une expression accrue des marqueurs d'activation, tels que CD69 et CD25, ainsi qu'une augmentation de l’expression des marqueurs d'épuisement, notamment PD-1, TIGIT, TIM-3, LAG- 3, CD137 et OX-40. Le couplage de l'analyse d'image et de l'étude de la plasticité des lymphocytes T, nous a permis d'associer pour la première fois l'activité cytotoxique finement quantifiée des lymphocytes T avec leur statut d'activation / épuisement et de décrire un phénotype réactif aux immunothérapies. Dans cette thèse, nous avons démontré que la tumeur-sur-puce peut être exploité pour évaluer l'efficacité des inhibiteurs de points de contrôle immunitaires, potentiellement pour déterminer l'effet de médicaments combinés et enfin pour étudier les mécanismes de résistance primaire des cellules cancéreuses
Non-small cell lung cancer (NSCLC) is one of the few tumor diseases, with melanoma and vesical carcinoma, for which immuno-oncology drugs led to a therapeutic revolution. Only 20 to 30% of the NSCLC patients benefit from immune checkpoint inhibitors (ICI) monotherapy with durable responses, while combinations led up to 40% of long responder patients. Our study aims to better characterize the modulation of the tumor microenvironment upon ICI treatment, plus or minus concurrent chemotherapy, in order to guide more compelling immunotherapy strategies. Inspired by the organ-on-a-chip technology, we implemented the reconstitution ex vivo of a simplified immunocompetent lung tumor microenvironment by performing 3D co-cultures in microfluidic devices. This approach allowed us to perform live-imaging and quantification of the effects of ICI on the tumor ecosystem.The design of the chip consists of three parallel micro-chambers, separated by micro-pillars that allow the confinement of a biomimetic hydrogel in the central channel by capillarity. By co-culturing autologous NSCLC cells and cytotoxic T lymphocytes (harvested from the TILs of the same patient and furtherly amplified in vitro) we could recapitulate, visualize and quantify an efficient and specific cytotoxic activity of the T cells against the autologous cancer cells. For this purpose, we developed a novel algorithm that could localize the cancer cells and, thanks to a fluorescent reporter of the caspase activity, measure their death in a time- and space-specific manner. In these 3D co-cultures the cytotoxic activity of T cells was enhanced by the treatment with PD-1 inhibitor and PD-L1 inhibitor, therefore reconstituting on-chip an ICI response. Furthermore, this method allowed us to extract a parameter, the potential of death induction, which mathematically estimates the “contagiousness of death” by computing the proximity in space and time of death signals. Interestingly, this analysis revealed us that the death of cancer cells caused by either chemotherapy or cytotoxic T cells is contagious, whereas in control conditions the cancer cells death is stochastic. This observation may have biological and clinical implications, for instance regarding the bystander effect, observed after radiotherapy treatment. Furthermore, in order to have a molecular insight on the impact of the co-culture on T cells, in presence or absence of ICI, we analyzed by flow cytometry the expression of several T cell markers. After 3 days of co-culture on chip, the T cells showed an increased expression of activation markers, such as CD69 and CD25, as well as an increased expression of exhaustion markers, notably PD-1, TIGIT, TIM-3, LAG-3, CD137 and OX-40. The coupling of image analysis and the study of T cell plasticity, allowed us to associate for the first time the finely quantified cytotoxic activity of the T cells and their activation/exhaustion status and describe a responsive phenotype to immunotherapies. In this thesis, we demonstrated that the tumor-on-chip is suitable to evaluate the efficacy of immune checkpoint inhibitors, to potentially assess the effect of combined drugs and to study the mechanisms of cancer cell primary resistance

Le cancer du pancréas est l’un des cancers les plus mortels avec un pronostic extrêmement sombre. En 2020, le taux de survie à 5 ans reste très faible (de 3 à 9 % seulement) et la médiane de survie est de moins de 6 mois. Malgré des progrès dans la prise en charge des patients, les thérapies actuelles n’ont pas l’efficacité espérée. Ceci est dû à la forte chimiorésistance observée dans ce cancer. Le facteur clé de cette résistance est le microenvironnement tumoral complexe composé majoritairement de stroma et d’une matrice extracellulaire dense limitant l’accès des thérapies à la tumeur. Les limitations des modèles d’études actuels, notamment en termes de pertinence physiologique, sont un frein important dans la compréhension de cette chimiorésistance. En réponse à cette problématique, les chercheurs se tournent vers de nouvelles approches en développant de nouveaux modèles d’études alternatifs à ceux déjà disponibles (in vitro et in vivo).Les objectifs de ce travail ont été : (i) de développer un dispositif de culture in vitro 3D microfluidique permettant de reproduire le microenvironnement tumoral sur les plans biologique et mécanique, ainsi que de modéliser les écoulements et transports de masse présents dans une tumeur pancréatique, et (ii) d’aborder les changements morphologiques de la co-culture par l’étude de marqueurs épithélio-mésenchymateux et d’étudier l’impact de la chimiothérapie FOLFIRINOX dans ce modèle.Dans un premier temps nous avons montré numériquement et expérimentalement la faisabilité d’un tel modèle in vitro. La matrice extracellulaire choisie est une association de collagène I et d’acide hyaluronique créant une structure rigide proche des conditions in vivo. Elle permet le maintien de la culture à long terme en ne se dégradant pas ou peu sous l’effet de la perfusion ainsi que l’activation des cellules stellaires pancréatiques. La vitesse de perfusion choisie permet quant à elle d’appliquer un flux interstitiel équivalent à celui observé dans le microenvironnement in vivo, induisant une pression hydrostatique et une contrainte de cisaillement sur les cellules.Nous avons ensuite mis en évidence l’apport biologique de cette modélisation en montrant une chimiorésistance accrue au protocole FOLFIRINOX des cellules tumorales à la fois en mono- et en co-culture dans le dispositif microfluidique. Nous montrons également la mise en place d’un processus ayant des caractéristiques de la transition épithélio-mésenchymateuse et d’une possible promotion d’un phénotype dédifférencié des cellules tumorales par les cellules stellaires pancréatiques activées.En conclusion, nous présentons dans cette thèse un modèle d’étude microfluidique original permettant de modéliser une tumeur (co-culture de cellules épithéliales et mésenchymateuses) et d’étudier la cinétique d’une chimiothérapie multidrogues complexe. Ce dispositif devrait à l’avenir nous permettre d’étudier plus en profondeur les mécanismes de chimiorésistance et les interactions tumeur-stroma dans le cancer du pancréas
Pancreatic cancer is one of the deadliest cancers with an extremely poor prognosis. In 2020, the 5-year survival rate remains very low (only 3 to 9%) and the median is less than 6 months. Despite significant progress in the patient care, current therapies do not have the expected effectiveness. This is due to the strong chemoresistance observed in this cancer. The key factor of this resistance is the complex tumor microenvironment mainly composed of stroma and a dense extracellular matrix limiting the access of therapies to the tumor. The current models’ limitations, particularly in terms of physiological relevance, are a major obstacle in understanding this chemoresistance. In response to this issue, researchers are turning to different approaches by developing brand new models that are alternatives to those already available (in vitro and in vivo).The objectives of this work were: (i) to develop an in vitro 3D microfluidic culture device allowing to reproduce the tumor microenvironment both biologically and mechanically, as well as to model the flows and mass transport present in a pancreatic tumor, and (ii) to approach the morphological changes of the co-culture by studying epithelio-mesenchymal markers and to study the impact of FOLFIRINOX chemotherapy in this model.First, we have shown numerically and experimentally the feasibility of such an in vitro model. The chosen extracellular matrix is a combination of collagen I and hyaluronic acid creating a rigid structure close to in vivo conditions. It allows long-term culture maintenance under the effect of the perfusion as well as the activation of pancreatic stellate cells. The chosen perfusion rate allows to apply an interstitial flow in the model equivalent to the one observed in the in vivo microenvironment, inducing hydrostatic pressure and shear stress on the cancerous cells.Then, we demonstrated the biological contribution of this model by showing an increased chemoresistance to the FOLFIRINOX protocol of tumor cells both in mono- and in co-culture in the microfluidic device. We also show the establishment of a process presenting characteristics of epithelial-mesenchymal transition and a possible promotion of a dedifferentiated phenotype of tumor cells by activated pancreatic stellate cells.In conclusion, we present in this thesis an original microfluidic model allowing to mimic a tumor (co-culture of epithelial and mesenchymal cells) and to study the kinetics of a complex multidrug chemotherapy. In the future, the device should allow us to further study the mechanisms of drug resistance and tumor-stroma interactions in pancreatic cancer

Le cancer de la prostate (CaP) est actuellement le cancer le plus fréquent en France et constitue l'une des principales causes de décès par cancer chez l'homme dans les pays industrialisés. Un tiers des patients avec un CaP à priori localisé auront déjà des micro-métastases au moment du traitement local. Ces patients qui répondent dans un premier temps à la castration (hormonothérapie) seront cependant en échappement hormonal dans les 2 ans qui suivent. Récemment, plusieurs essais cliniques de phase III ont rapporté un gain de survie avec la chimiothérapie à base de docétaxel dans les CaPs métastatiques résistants à la castration. Néanmoins, la survie n'est prolongée que de 2 ou 3 mois et de nouvelles approches thérapeutiques ciblant des voies de signalisation spécifiques sont donc nécessaires. Les travaux réalisés au cours de cette Thèse ont permis tout d'abord de montrer, grâce à l'utilisation de TMAs, que la surexpression de TP53INP1, une protéine de réponse au stress, était un facteur de mauvais pronostic dans le CaP, prédictif notamment du risque de rechute biologique. Nous avons ensuite pu montrer grâce à des xénogreffes de cellules tumorales (LNCaP) que les taux d'ARNm de TP53INP1 diminuaient durant l'hormonothérapie et que TP53INP1 était de nouveau significativement surexprimée dans les tumeurs résistantes à la castration. Nous avons développé et déposé un brevet pour un oligonucléotide antisens (ASO) inhibant TP53INP1. Le traitement in vitro des lignées cellulaires hormonosensibles LNcaP et hormono-résistantes C4-2 par l'ASO induit une diminution d'expression de la protéine TP53INP1, inhibe la prolifération cellulaire et induit une augmentation de l'apoptose
Prostate cancer (PC) is the most common malignancy in France and one of the most frequent leading causes of cancer-related death in men in industrialized countries. Even with aggressive screening, approximately one-third of patients believed to have localized PC will already have micro-metastatic disease at the time of definitive local therapy. These patients initially respond to androgen ablative therapy, but with time, their tumors ultimately become unresponsive and recur within 2 years as castration-resistant prostate cancer (CRPC). Recently, docetaxel-based regimens have shown improved survival in men with CRPC in phase III studies. However, the median overall survival was prolonged for only 2-3 months, and thus development of new therapeutic approaches that target relevant signaling pathways are essential to restore the androgen-sensitivity of CRPC. We showed, using tissue micro-array (TMA) analysis, that over-expression of Tumor Protein 53-Induced Nuclear Protein 1 (TP53INP1), a cell stress response protein, is a worse prognostic factor in PC, particularly predictive of biological cancer relapse. We also we found that TP53INP1 protein expression decreases during castration therapy (CT) and significantly increases in human CRPC. TP53INP1 mRNA was also significantly increased in castration-resistant (CR) tumors of LNCaP xenograft compared to the castration-sensitive (CS) taken before CT. We developed and world-wide patented one antisense oligonucleotide (ASO) targeting TP53INP1 (PCT/IB2011/054555). Treatment of LNCaP and C4-2 cells in vitro with TP53INP1 ASO downregulates TP53INP1 protein level, inhibits proliferation and induces apoptosis

Orthodox medical practice depends greatly on the use of high throughput (HTP) pure pharmaceutical new chemical entities, with a purity that can easily be evaluated and whose efficacy and toxicity can show a dose-dependent, clear structure-activity relationships (SAR). On the contrary, natural products contain mixtures of natural bioactive metabolites that have not undergone any chemical analyses and whose mechanism of action is not known. Medicinal mushrooms have been used throughout the history of mankind for the treatment of various diseases including cancer. Nowadays they have been intensively studied and generated research interest in an attempt to reveal the chemical nature and mechanisms of action of their bioactive molecules. Targeted treatment of diseases, non-harmful for healthy tissues, has become a major objective in recent times and metabolites of fungal origin provide a vast reservoir of potential new chemical entities. There are many examples of mushrooms common for use globally that demonstrate the complex nature of their pharmaceutical potential This review paper attempts to show that some aspects of fungotherapy of the disease have been well studied. We also give an insight into the role of mushroom metabolites for treatment of diseases types that are especially susceptible to the fungal treatments.