Résumé en Français:Le régorafénib est une des dernières options thérapeutiques pour les patients atteints d’un cancer colorectal chimio-réfractaire de stade avancé (CCRa). Cet inhibiteur de multiples tyrosine kinases n’est pas dépourvu de toxicité ce qui limite son utilisation en dernière ligne chez ces patients dont l’état général est dégradé, alors même que son efficacité n’est pas certaine chez tous les patients. Son mécanisme d'action reste largement inconnu, ce qui rend difficile l'identification de biomarqueurs prédictifs cliniquement utiles. C’est dans ce contexte que se situe ce projet de thèse, dont l’objectif est d’identifier les patients qui pourraient ou pas bénéficier du regorafenib. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé à la fois nous avons entamé des projets de recherche translationnelle et mécanistiques.Nos études translationnelles se sont portées sur le monitoring de la réponse thérapeutique dans des biopsies liquides récoltées dans le cadre d’un essai clinique prospectif incluant des patients souffrant d’un CCRa et traités au régorafénib (RegARd-C). Nous avons d’abord confirmé la valeur pronostique de l’ADN libre circulant (ADNlc) avant traitement. De même, nous avons démontré qu'un haut volume tumoral métaboliquement actif avant traitement était associé à un mauvais pronostic. Combinés, ces marqueurs sont restés des prédicteurs de la survie sans progression (SSP) et globale (SG) des patients. Par la suite, nous avons mesuré l’ADN tumoral circulant (ADNtc) en suivant les mutations tumorales pré-identifiées dans le tissu tumoral des patients par séquençage. Nous avons démontré qu’une augmentation de plus de 50% de l’ADNtc après seulement 14 jours de traitement quel que soit le nombre de mutations suivies, indiquait un moins bon pronostic en termes SSP et SG. En outre, nos données suggèrent que ADNtc et ADNlc sont indépendants mais complémentaires dans leur valeur prédictive. Aussi, nous avons mis en évidence le rôle important de l’antigène carbohydrate 19-9 en tant que marqueur pronostique et prédictif précoce de la survie de ces patients.Ayant observé un profil général de résistance chez les patients, nous avons investigué les mécanismes potentiels de résistance intrinsèque et acquise au régorafénib dans des lignées cellulaires représentatives de CCR et avons trouvé différents degrés de résistance intrinsèque dans ces lignées. Nous avons dès lors exploré les mécanismes de résistance au régorafénib dans des cellules que nous avons rendues plus résistantes que les lignées parentales. L’investigation des voies de signalisation des MAPK et de PI3K/AKT a montré que cette dernière est un acteur majeur dans la résistance acquise dans la lignée HCT-116. Une autre observation basée sur des changements morphologiques particuliers des cellules nous a conduits à investiguer en détail un phénotype sénescent induit par le régorafénib, la sénescence étant reconnue comme causant la résistance aux médicaments. A cet égard, le comportement des deux lignées était différent. Les cellules SW480 étaient capables d'acquérir des propriétés de sénescence stables suite à la sécrétion de facteurs favorisant celle-ci ainsi qu’un arrêt du cycle cellulaire. En accord avec le fait que ces cellules tumorales dormantes peuvent avoir un effet positif sur le devenir du patient, tant que celui-ci reste sous traitement, elles pourraient contribuer à la rechute de la maladie dès l’arrêt du traitement. Les cellules HCT-116 quant à elles présentent des propriétés de sénescence à court terme et développent une résistance acquise sous traitement au régorafénib continu via une transition épithélio-mésenchymateuse (TEM), également associée à une résistance aux médicaments. Ce dernier mécanisme pourrait avoir un effet délétère sur le patient comme l’apparition de sous-clones plus agressifs qui induise la progression de la maladie et assombrit le pronostic.Nous avons également investigué la p-glycoprotéine comme un possible mécanisme de résistance additionnel et avons montré que dans les cellules SW480 traitées au régorafénib, ce dernier serait capable de surmonter la résistance induite par cette protéine. Cependant, une augmentation de l'expression de la p-glycoprotéine n’est observée dans les cellules HCT-116 qu'après une courte exposition au régorafénib et plus dans les cellules traitées en continu.En conclusion, nous avons contribué à une meilleure compréhension des différents mécanismes de résistance au régorafénib dans le CCR. Nous avons indiqué la sénescence, la TEM et probablement la p-glycoprotéine comme acteurs majeurs potentiels; et avons souligné l’hétérogénéité de cette maladie. Est-ce que le régorafénib gagnera-t-il une meilleure place comme traitement efficace dans le CCR ?Notre travail propose plusieurs pistes pour répondre à cette question. / Abstract:Regorafenib is one of the last treatment options for patients with chemo-refractory metastatic colorectal cancer (mCRC), associated with some efficacy but with important toxicities impairing its use in patients with poor general condition. As a multi-targeted tyrosine kinase inhibitor, its mechanism of action remains largely unknown, challenging the identification of clinically useful predictive biomarkers. The ultimate aim of our work was to contribute to the identification of mCRC patients unlikely to benefit from regorafenib. To achieve this objective, we moved from translational to mechanistic studies.Our translational studies focused on therapy response monitoring using liquid biopsies obtained from a prospective clinical trial in mCRC patients treated with regorafenib (RegARd-C trial). We first, confirmed the prognostic value of cell-free DNA (cfDNA) level before treatment. Similarly, we found that high level of pre-treatment metabolically active tumor volume was associated with poor prognosis. When combined, these markers remained predictors of patients’ progression-free (PFS) and overall survival (OS).Then, we measured circulating tumor DNA (ctDNA) based on tumor-specific mutations already identified in patients’ tumor tissue by NGS. We demonstrated that an increasing ctDNA level more than 50% after 14 days of treatment, either based on one or on multiple mutations, is correlated with patients’ clinical outcome in terms of PFS and OS. Furthermore, our data strongly suggested that both baseline cfDNA and ctDNA dynamics are strong complementary predictors of both PFS and OS. Also, we highlighted the leading role of Carbohydrate Antigen 19-9 as a prognostic and early predictive biomarker of mCRC patients’ outcome.Having observed an overall resistance to regorafenib in the majority of patients, we investigated the potential related intrinsic and acquired resistance mechanisms in representative CRC cell lines and found rather different degrees of intrinsic resistance to regorafenib in these cell lines. We then explored potential mechanisms of resistance after short and long-term exposure to regorafenib. The investigation of MAPK and PI3K/AKT pathways pointed to the latter as a major player in acquired resistance.Another observation based on particular cell morphological changes led us to investigate in deep a drug-initiated senescence-like phenotype that is also known to cause drug resistance. SW480 cells were able to acquire stable senescent-like properties, also promoted by a specific senescence-associated secretome, and cell cycle arrest. In line with tumor cell dormancy this phenotype may have a positive impact on patient’s outcome as long as he is under treatment. However, dormant cells contribute to disease recurrence after drug withdrawal. In contrast, HCT-116 cells undergo senescent properties after short exposure and develop acquired resistance triggering EMT, which is also associated with drug resistance. This latter mechanism could be deleterious for the patient as the appearance of more aggressive tumor subclones may induce disease progression and worsen clinical outcome.We also investigated Multi-Drug Resistant protein 1 (MDR1) as a possible additional mechanism of resistance and we found that regorafenib seems to overcome MDR in SW480 treated cells while in HCT-116, an increase of MDR1 expression was observed after short and long exposure compared to parental cells.In conclusion, we contributed to a better understanding of different mechanisms of resistance to regorafenib in CRC. We pointed to cell plasticity such as senescence and EMT in addition to possible MDR as major players; and certainly highlighted the high heterogeneity of the disease. Will regorafenib gain a better place as an efficient drug in CRC? Our work provides some insights for answering this question. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse s'est axé autour de deux approches technologiques issues du domaine de la microfabrication pour la sélection et la capture de biomarqueurs circulants dans le sang. A l'échelle moléculaire, un module d'assemblage capillaire dirigé a été implémenté dans un automate de tamponnage moléculaire puis validé en utilisant un modèle simple, permettant l'isolement et l'étirement de biomolécules individuelles de manière entièrement contrôlée et automatisée à large échelle. Nous avons ensuite appliqué cette technologie à des biomarqueurs moléculaires d'intérêt tels que les ADN libres contenus dans du sang complet, démontrant la capacité de la technique à isoler des acides nucléiques dans un fluide complexe contenant de nombreux éléments cellulaires . A l'échelle cellulaire, une approche innovante pour la sélection et la capture de Cellules Tumorales Circulantes a été développée. Le microdispositif mis au point est fabriqué par écriture laser à 3 dimensions et permet le piégeage physique de ces cellules dans du sang complet non traité tout en les préservant pour une récupération et analyse ultérieure. Après adaptation du microdispositif pour maximiser son efficacité de capture in vitro, une première preuve de concept de capture sélective de cellules cancéreuses dans du sang complet non traité a été réalisée. U n premier prototype pour une utilisation in vivo a été mi s au point et validé in vitro sur la capture de cellules cancéreuses dans du milieu de culture. / This research project focused on two technological approaches emerging from microfabrication for the selection and capture of circulating biomarkers from blood. At the molecular scale, this work was based on the automation of a directed capillary assembly protocol. A dedicated module was implemented into an automate for molecular stampin g and validated using a simple molecular model, allowing the elongation and large-scale assembly of single biomolecules in a controlled and automatized manner. The developed technology was then used for the assembly of relevant molecular biomarkers such as cell -free DNA (cf DNA) from untreated whole blood , evidencing the capabilities of this technology to single out nucleic acids from complex fluids composed of other cellular elements. At the cellular scale, an innovative concept for Circulating Tumor Cell s (CTCs) selection and capture was developed . The developed microdevice is fabricated using 30 direct laser writing and allows for a physical capture of cell s from untreated whole blood while preserving them for further recovery and analysis. After having optimized the design in vitro to maximize the capture efficiency of the system, a selective capture of cancer cell s from untreated whole blood was achieved . A first prototype for the in vivo use of this system was also developed and validated in vitro with cancer cells spiked into culture medium.

Introduction:Un des problèmes du cancer du Pancréas (CP) est le temps de latence entre la suspicion du CP et la mise en place des traitements. Les méthodes de biopsie liquide pourraient accélérer la mise en évidence d’éléments tumoraux et le diagnostic.Objectif :L’objectif principal de l’étude était de comparer la performance diagnostique de plusieurs techniques de biopsie liquide chez des patients atteint d’un CP résécable d’emblé. L’objectif secondaire était la corrélation avec le taux de récidive post-opératoire.Méthodes:Tout d'abord, nous avons testé 2 méthodes d'enrichissement CTC pour estimer la sensibilité de la détection CTC avec des expériences de cell-spiking de deux lignées de cellules tumorales pancréatiques dans des échantillons de sang de 24 volontaires sains en utilisant la méthode en gradient de densité OncoQuick® et la méthode de sélection négative RosetteSep™. De plus, les mutations KRAS ont été quantifiées dans l'ADN génomique de cellules purifiées par digital droplet PCR (dd-PCR) avec des amorces spécifiques des allèles.Nous avons conçu un essai clinique prospectif (NCT03032913) visant à détecter les cellules tumorales circulantes (CTC), l’ADN tumoral circulant (ADNct) et les onco-exosomes chez les patients atteint de CP et chez les patients d’un groupe témoin. Pour les CTCs : enrichissement et détection de CTCs par la méthode CellSearch©, méthode d’enrichissement de CTCs RosetteSep® et OncoQuick® puis quantification de l’ADN tumoral par dd-PCR. Les exosomes ont été isolés puis caractérisés avec le taux d’expression de Glypican-1. Tous les patients de l’étude ont eu un prélèvement de sang périphérique, les patients du groupe CP ont eu un prélèvement de sang portal peropératoire.Résultats:La sensibilité analytique était de 100 % pour OncoQuick®, quelle que soit la lignée cellulaire, et se situait entre 70 et 100 % pour RosetteSep™. Le taux moyen de récupération des cellules était de 56±23% pour OncoQuick® contre 39±27% pour RosetteSep™ (p<0,001). Les cellules tumorales de la population de cellules sanguines enrichies ont été détectées par dd-PCR après enrichissement par RosetteSep™ et OncoQuick® La détection des allèles K-RAS mutants par ddPCR après enrichissement de RosetteSepTM était 3 à 4 fois plus sensible qu'après OncoQuick®. Ainsi, RosetteSep™ est plus fiable en termes d'efficacité de récupération et de détection des mutants KRAS que OncoQuick®.De février à novembre 2017, 22 patients atteints de CP résécable et 28 patients témoins ont été inclus. Tous les patients ont été détectés positifs par au moins une méthode. Les CTCs ont été détectées chez 9 patients avec la méthode cellsearch (70% dans le sang portal exclusif) et 13 avec la méthode Rosettesep (60%). Les onco-exosomes ont été détecté chez 14 patients sur 22. L’ADNct n’a été détecté que chez deux patients métastatiques. La détection combinée des CTCs et des onco-exosomes était significativement corrélée à la survie sans récidive.Conclusion:Cette étude suggère que la biopsie liquide combinée peut être un outil prometteur à fois diagnostique et pronostique dans le CP à un stade précoce. / Introduction:One of the problems of pancreatic ductal adenocarcinoma (PC) is the latency time between the suspicion of PC and the initiation of treatments, especially neo-adjuvants that require histological evidence. Liquid biopsy methods could be a companion test for diagnosis.Objective :The main objective of the study was to compare the diagnostic performance of several liquid biopsy techniques in patients with resectable pancreatic without neo-adjuvant therapy cancer. The secondary objective was the correlation between the quantification of liquid biopsy parameters and clinic-pathologic features.Methods:First, we tested 2 CTC enrichment methods to estimate the sensitivity of CTC detection with cell spiking experiments of two pancreatic tumour cell lines in blood samples from 24 healthy volunteers using the onco-specific density gradient OncoQuick® and the negative selection enrichment method RosetteSep™. Additionally, KRAS mutations were quantified in genomic DNA of purified cells by digital droplet Q-PCR (dd-PCR) with allele specific primers.We designed a prospective clinical trial (PANC-CTC# NCT03032913) to detect circulating tumour cells (CTC), circulating tumour DNA (ADNct) and onco-exosomes in patients with pancreatic cancer and in patients in a control group using different methods. For CTCs, it was the enrichment and detection of CTCs by the CellSearch© method (reference method), the RosetteSep® and OncoQuick® CTC enrichment method and the quantification of tumor DNA by dd-PCR. Exosomes were isolated and characterized with the expression rate of Glypican-1. All patients in the study had a peripheral blood sample, patients in the PDAC group had a portal blood sample during surgery.Results:Analytical sensitivity was 100% for OncoQuick®, regardless of the cell line, and ranged between 70 and 100% for RosetteSep™. Mean recovery rate of cells was 56±23% for OncoQuick® versus 39±27% for RosetteSep™ (p<0.001). Molecular detection of mutant K-RAS alleles by ddPCR after RosetteSepTM enrichment was 3- to 4-fold more sensitive than after OncoQuick®. Thus, RosetteSep™ is more reliable in terms of recovery efficiency and KRAS mutant detection than OncoQuick®.From February to November 2017, 22 patients with resectable pancreatic cancer and 28 control patients were included. All patients were positive by at least one method. CTCs were detected in 9 patients with the cellsearch method (70% in the exclusive portal blood) and 13 with the Rosettesep method (59%), Onco-exosomes were detected in 14 out of 22(64%) patients in peripheral and/or portal blood. DNAct was detected in only two metastatic patients. The combined detection of CTCs with cellsearch and onco-exosomes was significantly correlated with progression free survival and overall survival when CTC cluster were found.Conclusion: This study suggests that combined liquid biopsy can be a promising tool for both diagnosis and prognosis in early pancreatic cancer.

Les cellules tumorales circulantes (CTCs) sont la principale voie de dissémination du cancer dans le corps humain au travers de la circulation sanguine. Ces cellules ont la capacité de se détacher de la tumeur primaire, de rejoindre la circulation sanguine et de survivre dans cet environnement. Une sous-population spécifique de ces cellules a la capacité de coloniser de nouveaux tissus et de former des métastases. L'importance de ces cellules rares dans la circulation sanguine a été intensément étudiée au cours des dernières décennies, et il a été constaté que les informations phénotypiques et génomiques qu'elles contiennent pourraient être corrélées avec celles obtenues à partir d'une biopsie tissulaire. De plus, le nombre et l'incidence des CTC chez les patients métastatiques pourraient être utilisés comme indicateurs pronostics. Ainsi, leur isolement à partir d'échantillons sanguins et leur analyse a été proposé en remplacement des biopsies conventionnelles, comme une alternative moins invasive et permettant un échantillonnage plus répété. In fine, la détection et l'analyse des CTC en routine clinique pourraient être utilisées pour le suivi en temps réel des thérapies et de leur efficacité pour améliorer la prise en charge des patients, un pas de plus vers une médecine de précision. Dans ce projet de thèse, nous avons développé de nouveaux micro-dispositifs pour la capture, sous flux, de cellules cancéreuses à partir de sang complet humain. Nous avons exploité les propriétés physiques des CTC, plus grandes et moins déformables que les cellules sanguines normales, pour discriminer ces cellules rares (<1 cellule par mL aux premiers stades de la maladie). Des micro-dispositifs ont été conçus tels des tamis à trois dimensions pour filtrer sélectivement les cellules cancéreuses tout en préservant l'intégrité et la viabilité des cellules. De plus, les dispositifs ont été conçus pour permettre l'accès au matériel biologique isolé et effectuer ainsi une identification des cellules in situ, e.g. par immunocytochimie, mais aussi potentiellement pour servir de plateforme pour une analyse fonctionnelle de ces cellules. Nous avons proposé deux approches totalement compatibles avec la routine clinique. La première consiste en un guide équipé de microdispositifs, conçu pour être introduit directement dans la circulation sanguine au travers d'un cathéter médical et effectuer la capture des cellules cancéreuses in vivo. La deuxième approche vise à réaliser l'isolement des CTCs en utilisant des microdispositifs intégrés à des plateformes ex vivo compatibles avec les consommables médicaux de prélèvement sanguin.[...] / Circulating tumor cells (CTCs) are believed to represent the main pathway of cancer dissemination in the human body through the circulatory system. These cells have the ability to detach from the primary tumor, enter into the bloodstream, and survive in this environment. A specific subpopulation of these cells possesses the capacity of colonizing new tissues and forming metastases. The relevance of these rare cells in the bloodstream has been intensively investigated during the last decades, finding that phenotypic and genomic information they carry could be correlated with that of solid biopsies. Moreover, the number and incidence of CTCs in metastatic patients could be used as an indicator for prognosis. Thus, their isolation from blood samples and analysis has been proposed as a surrogate to solid biopsies, having the added value of being a less invasive procedure and allow a more repeated measure. In fine, the routine analysis of CTCs in clinical practice could be used for the real-time monitoring of therapies and the adaptation of treatment in order to improve the outcome of patients, a step forward towards so-called precision medicine. In this PhD project, we have developed novel micro- devices for the capture, in flow conditions, of tumor-derived cells from human whole blood. CTCs being larger and less deformable than normal blood cells, we exploited theses physical traits to discriminate them. Sieve-like micro-devices were engineered to selectively sort out tumor-derived cells having as a priority the preservation of cell integrity and viability. In addition, devices were designed to allow direct access to the isolated biological material and thus perform in situ cell identification, such as immunocytochemistry, but also to potentially serve as a platform for functional analysis. We proposed two approaches compatible with clinical routine. The first approach consists in a customized guiding-strip equipped with integrated microfilters, designed to be introduced directly within the bloodstream through a conventional medical catheter to perform the capture of tumor-derived cells in vivo. The second approach aims to perform CTC isolation ex vivo through the integration of microfilters into a platform compatible with blood collection medical sets. [...]