Sujet de Thèse
Évaluation des effets photothéranostiques de nanoformulations de vert d'indocyanine sur des modèles précliniques de tumeurs de la tête et du cou
Dates :
2025/10/01 - 2028/09/30
Encadrant(s) :
Description :
CONTEXTE, POSITIONNEMENT ET OBJECTIFS DU PROJET
Les cancers de la tête et du cou, 7ème type de cancer le plus fréquent, présentent une très grande hétérogénéité d'expression clinique et histopathologique faisant d'eux un enjeu de santé publique majeur. Aujourd'hui encore, la plupart des cas sont identifiés à des stades avancés, impliquant de fait des taux de récidive et de mortalité élevé. Le développement de nouvelles molécules permettant leur diagnostic et une prise en charge la plus précoce possible est indispensable. Dans ce contexte, le recours à des techniques employant une irradiation semble ouvrir de nouvelles perspectives concernant l'imagerie et les modalités thérapeutiques de ces lésions. La thérapie photothermique améliorée par contraste (CE-PTT) (c'est-à-dire qui utilise des agents photothermiques) est un domaine en plein essor. La PTT est également étroitement liée à l'imagerie photoacoustique (PAI), une modalité d'imagerie non invasive émergente qui combine les avantages d'une pénétration profonde des ultrasons et d'un contraste optique élevé.
Le vert d'indocyanine (ICG) peut être utilisé comme agent photothermique. Il présente l'immense avantage d'être déjà utilisé cliniquement et approuvé par la FDA comme agent de contraste fluorescent. Malheureusement, sa très courte demi-vie, son taux de conversion photothermique limitée et sa tendance au photoblanchiment limitent fortement son applicabilité dans cette modalité thérapeutique. Différentes études se sont intéressées à l'encapsulation de l'ICG dans des nano-vecteurs, afin d'améliorer ses performances (hal-02328843).
Dans ce contexte, nous avons développé avec des collègues photochimistes (A. Pasc et Y. Bernhard ; L2CM UMR 7053) un agent photothermique nanométrique innovant basé sur des agrégats J d'ICG utilisable en PTT et en PAI (hal-04184000). Ces nanoparticules présentent une efficacité de conversion photothermique élevée et une photostabilité considérablement améliorée par rapport à l'ICG. Les études in vitro sur l'absorption cellulaire et la cytotoxicité ont également démontré que les nanoparticules améliorent l'absorption et l'efficacité photothermique par rapport à l'ICG non vectorisé.
Bien que très prometteur, ces résultats ont été obtenus sur un modèle cellulaire en 2D. Il convient donc à présent de tester ce composé sur des modèles cellulaires plus évolués pour s'approcher davantage des conditions observables en clinique.
Le recours aux modèles cellulaires 3D apparait aujourd'hui comme un incontournable de l'expérimentation pré-clinique. L'hétérogénéité du microenvironnement tumoral est l'une des principales sources d'échec thérapeutique en oncologie. Pour reproduire cette organisation cellulaire nous avons développé différents modèles de sphéroïdes en co-culture, mélangeant des cellules tumorales de cancer de la tête et du cou avec des fibroblastes (hal-03955684 ; hal-02418797) ou encore des macrophages (hal-04291290).
Les objectifs de ce projet seront articulés autour de 3 axes principaux :
- Axe 1 : Optimisation d'un modèle de sphéroïde de cancer de la tête et du cou formé à partir d'une co-culture de cellules cancéreuses et de fibroblastes sains.
- Axe 2 : Caractérisation des effets phototheranostiques des nanoparticules d'ICG-J/CX in vitro.
- Axe 3 : Extension du concept à la PTT in vivo guidée par PAI.
METHODOLOGIE
Axe 1 : Modèles in vitro complexes de tumeurs de la tête et du cou
En se basant sur les travaux préalables de notre équipe (hal-03955684 ; hal-02418797 ; hal-04291290), nous optimiserons et caractériserons un modèle de sphéroïde formé par une co-culture de cellules tumorales de carcinome épidermoïde de pharynx (FaDu) avec des fibroblastes oraux humains sains. L'objectif ici est de travailler avec des fibroblastes sains et d'évaluer leur transformation en CAF lors de leur association avec des cellules cancéreuses afin d'en évaluer les conséquences en terme de PTT et PAI.
Axe 2 : Aptitude phototheranostique des nanoparticules d'ICG-J/CX
L'objectif de ce 2e axe est d'optimiser les conditions d'utilisation des nanoparticules d'ICG-J/CX in vitro.
Les résultats obtenus avec les nanoparticules d'ICG-J/CX et d'ICG-J sur modèles 2D devront être confirmés sur modèles 3D : Pour cela nous vérifierons l'absence de toxicité à l'obscurité des composés. Puis, nous évaluerons l'incorporation ainsi que leurs distributions au sein des sphéroïdes en co-culture au cours du temps.
Ensuite leur efficacité comme agent de PTT et la possibilité de les visualiser en PAI sera explorée. Après avoir sélectionné les paramètres de traitements optimaux, nous évaluerons la phototoxicité du traitement. La signature photoacoustique des sphéroïdes chargés de nos nanoparticules sera exploitée à l'aide d'un imageur bimodal de fluorescence/photoacoustique récemment acquis par nos collègues photochimistes (Tritom, Photosound®, USA).
Axe 3 : Thérapie photothermique in vivo guidée par l'imagerie photoacoustique.
L'objectif de l'axe 3 est d'étendre le concept en affinant la formulation de l'ICG/CX et en l'évaluant in vivo sur des modèles animaux de souris xénogreffées par des cellules FaDu. Ainsi, la biodistribution in vivo, la pharmacocinétique, l'intégrité des agents photothermique et l'efficacité PTT seront évaluées par imagerie bimodale de fluorescence et photoacoustique.
Globalement, une stratégie de guidage par l'image sera établie selon la séquence suivante : 1) suivi de la distribution et de l'intégrité des particules via l'imagerie PAI et de fluorescence corps entier, afin de déterminer l'IDL (Intervalle Drogue-Lumière) permettant un traitement optimal ; 2) traitement PTT via irradiation NIR ; 3) évaluation de la réponse au traitement PTT par un suivi de re-croissance tumorale et par l'estimation de l'intégrité des particules via la réponse fluorescente et photoacoustique.
IMPACT DU PROJET :
Ce projet de thèse permettra d'appréhender les mécanismes mis en jeu dans les approches photothéranostiques lié à l'utilisation d'agents photothermiques et validera davantage le potentiel oncologique de la thérapie photothermique assistée par l'imagerie photoacoustique. Il s'inscrit parfaitement dans le projet 2024-2028 du laboratoire qui est, entre autres, de développer l'utilisation de la lumière comme mode de diagnostic et de thérapie.
Les cancers de la tête et du cou, 7ème type de cancer le plus fréquent, présentent une très grande hétérogénéité d'expression clinique et histopathologique faisant d'eux un enjeu de santé publique majeur. Aujourd'hui encore, la plupart des cas sont identifiés à des stades avancés, impliquant de fait des taux de récidive et de mortalité élevé. Le développement de nouvelles molécules permettant leur diagnostic et une prise en charge la plus précoce possible est indispensable. Dans ce contexte, le recours à des techniques employant une irradiation semble ouvrir de nouvelles perspectives concernant l'imagerie et les modalités thérapeutiques de ces lésions. La thérapie photothermique améliorée par contraste (CE-PTT) (c'est-à-dire qui utilise des agents photothermiques) est un domaine en plein essor. La PTT est également étroitement liée à l'imagerie photoacoustique (PAI), une modalité d'imagerie non invasive émergente qui combine les avantages d'une pénétration profonde des ultrasons et d'un contraste optique élevé.
Le vert d'indocyanine (ICG) peut être utilisé comme agent photothermique. Il présente l'immense avantage d'être déjà utilisé cliniquement et approuvé par la FDA comme agent de contraste fluorescent. Malheureusement, sa très courte demi-vie, son taux de conversion photothermique limitée et sa tendance au photoblanchiment limitent fortement son applicabilité dans cette modalité thérapeutique. Différentes études se sont intéressées à l'encapsulation de l'ICG dans des nano-vecteurs, afin d'améliorer ses performances (hal-02328843).
Dans ce contexte, nous avons développé avec des collègues photochimistes (A. Pasc et Y. Bernhard ; L2CM UMR 7053) un agent photothermique nanométrique innovant basé sur des agrégats J d'ICG utilisable en PTT et en PAI (hal-04184000). Ces nanoparticules présentent une efficacité de conversion photothermique élevée et une photostabilité considérablement améliorée par rapport à l'ICG. Les études in vitro sur l'absorption cellulaire et la cytotoxicité ont également démontré que les nanoparticules améliorent l'absorption et l'efficacité photothermique par rapport à l'ICG non vectorisé.
Bien que très prometteur, ces résultats ont été obtenus sur un modèle cellulaire en 2D. Il convient donc à présent de tester ce composé sur des modèles cellulaires plus évolués pour s'approcher davantage des conditions observables en clinique.
Le recours aux modèles cellulaires 3D apparait aujourd'hui comme un incontournable de l'expérimentation pré-clinique. L'hétérogénéité du microenvironnement tumoral est l'une des principales sources d'échec thérapeutique en oncologie. Pour reproduire cette organisation cellulaire nous avons développé différents modèles de sphéroïdes en co-culture, mélangeant des cellules tumorales de cancer de la tête et du cou avec des fibroblastes (hal-03955684 ; hal-02418797) ou encore des macrophages (hal-04291290).
Les objectifs de ce projet seront articulés autour de 3 axes principaux :
- Axe 1 : Optimisation d'un modèle de sphéroïde de cancer de la tête et du cou formé à partir d'une co-culture de cellules cancéreuses et de fibroblastes sains.
- Axe 2 : Caractérisation des effets phototheranostiques des nanoparticules d'ICG-J/CX in vitro.
- Axe 3 : Extension du concept à la PTT in vivo guidée par PAI.
METHODOLOGIE
Axe 1 : Modèles in vitro complexes de tumeurs de la tête et du cou
En se basant sur les travaux préalables de notre équipe (hal-03955684 ; hal-02418797 ; hal-04291290), nous optimiserons et caractériserons un modèle de sphéroïde formé par une co-culture de cellules tumorales de carcinome épidermoïde de pharynx (FaDu) avec des fibroblastes oraux humains sains. L'objectif ici est de travailler avec des fibroblastes sains et d'évaluer leur transformation en CAF lors de leur association avec des cellules cancéreuses afin d'en évaluer les conséquences en terme de PTT et PAI.
Axe 2 : Aptitude phototheranostique des nanoparticules d'ICG-J/CX
L'objectif de ce 2e axe est d'optimiser les conditions d'utilisation des nanoparticules d'ICG-J/CX in vitro.
Les résultats obtenus avec les nanoparticules d'ICG-J/CX et d'ICG-J sur modèles 2D devront être confirmés sur modèles 3D : Pour cela nous vérifierons l'absence de toxicité à l'obscurité des composés. Puis, nous évaluerons l'incorporation ainsi que leurs distributions au sein des sphéroïdes en co-culture au cours du temps.
Ensuite leur efficacité comme agent de PTT et la possibilité de les visualiser en PAI sera explorée. Après avoir sélectionné les paramètres de traitements optimaux, nous évaluerons la phototoxicité du traitement. La signature photoacoustique des sphéroïdes chargés de nos nanoparticules sera exploitée à l'aide d'un imageur bimodal de fluorescence/photoacoustique récemment acquis par nos collègues photochimistes (Tritom, Photosound®, USA).
Axe 3 : Thérapie photothermique in vivo guidée par l'imagerie photoacoustique.
L'objectif de l'axe 3 est d'étendre le concept en affinant la formulation de l'ICG/CX et en l'évaluant in vivo sur des modèles animaux de souris xénogreffées par des cellules FaDu. Ainsi, la biodistribution in vivo, la pharmacocinétique, l'intégrité des agents photothermique et l'efficacité PTT seront évaluées par imagerie bimodale de fluorescence et photoacoustique.
Globalement, une stratégie de guidage par l'image sera établie selon la séquence suivante : 1) suivi de la distribution et de l'intégrité des particules via l'imagerie PAI et de fluorescence corps entier, afin de déterminer l'IDL (Intervalle Drogue-Lumière) permettant un traitement optimal ; 2) traitement PTT via irradiation NIR ; 3) évaluation de la réponse au traitement PTT par un suivi de re-croissance tumorale et par l'estimation de l'intégrité des particules via la réponse fluorescente et photoacoustique.
IMPACT DU PROJET :
Ce projet de thèse permettra d'appréhender les mécanismes mis en jeu dans les approches photothéranostiques lié à l'utilisation d'agents photothermiques et validera davantage le potentiel oncologique de la thérapie photothermique assistée par l'imagerie photoacoustique. Il s'inscrit parfaitement dans le projet 2024-2028 du laboratoire qui est, entre autres, de développer l'utilisation de la lumière comme mode de diagnostic et de thérapie.
Mots clés :
Sphéroïdes en coculture; thérapie photothermique; imagerie photoacoustique; nanoparticules
Département(s) :
Biologie, Signaux et Systèmes en Cancérologie et Neurosciences |
Financement :
Contrat doctoral de l'université de Lorraine