Le glioblastome est la tumeur maligne primaire du cerveau la plus courante et la plus agressive chez l'homme. Son traitement conventionnel est palliatif et l'apparition de récidives est systématique. Dans le but de développer des thérapies innovantes basées sur le ciblage de nouvelles entités tumorales à l'aide de nanovecteur de médicaments, deux cibles ont été investiguées : le marqueur de radiorésistance AC133/1 et les onco-microARN. En utilisant des cellules de glioblastomes issues de patients, nous avons démontré que leur expansion in vitro à une pO2 non-physiologique (21%) altère leur agressivité tumorale in vivo et l'expression originelle d'AC133/1, au contraire d'une pO2 physiologique (3%) soulignant qu'AC133/1 est un marqueur précoce de non exposition à des pO2 élevées. Nous identifions par ailleurs un rôle pour AC133/1 dans l'endocytose du récepteur de la transferrine et son partenariat avec le métabolisme du fer. Enfin nous avons développé et caractérisé des immunonanoparticules capables de véhiculer des chimiothérapies ou des radiopharmaceutiques vers cet épitope fonctionnel. Dans un second axe de recherche, en parallèle d'établir le miRnome humain en réponse à l'action d'une radiothérapie, des nanocapsules lipidiques biomimétiques présentant à leur surface des peptides de papillomavirus et capables de se complexer avec des acides nucléiques antagonistes de microARN ont été développées et évaluées, démontrant leur intérêt en synergie d'une radiothérapie. Collectivement et en amont d'expérimentations in vivo en cours, ces résultats soulignent la pertinence d'appliquer de nouvelles nanomédecines ciblées pour le contournement de la radiorésistance dans le glioblastome.

Les cellules cancéreuses mammaires invasives expriment des canaux sodiques NaV1.5 dont l’activité semble être associée au développement métastatique. L’activité de ce canal dans les cellules MDA-MB-231 conduit à une acidification péricellulaire favorable à l’activité des cathepsines à cystéine B et S extracellulaires et à la dégradation de la matrice extracellulaire. Au cours de cette thèse, nous avons montré que l’échangeur NHE1 est le principal régulateur du pH des cellules MDA-MB-231 et que l’activité du canal NaV1.5 augmente l’activité d’efflux de protons par NHE1 vraisemblablement par modulation allostérique. NaV1.5 et NHE1 sont co-localisés dans des radeaux lipidiques et plus particulièrement dans les invadopodes des cellules MDA-MB-231. Les activités de NHE1 et NaV1.5 stimulent l’activité protéolytique des invadopodes. Enfin, l’activité du canal NaV1.5 semble moduler le cytosquelette et la morphologie des cellules cancéreuses MDA-MB-231 pour leur donner un phénotype invasif. En conclusion, NaV1.5 augmente l’activité de NHE1 dans les invadopodes stimulant ainsi l’invasivité des cellules cancéreuses mammaires. / Invasive breast cancer cells express NaV1.5 sodium channels which activity seems to be associated with metastatic progression. The activity of the channel in MDA-MB-231 cells leads to a pericellular acidification favourable for the activity of extracellular cysteine cathepsins B and S and for extracellular matrix degradation. During this thesis, we have shown that NHE1 exchanger is the main pH regulator in MDA-MB-231 cells and that the activity of NaV1.5 channels increases protons efflux activity of NHE1 possibly through allosteric modulation. NaV1.5 and NHE1 are co-localised in lipid rafts and in invadopodia of MDA-MB-231 cells. The activity of NHE1 and NaV1.5 promotes the proteolytic activity of invadopodia. Finally, the activity of NaV1.5 channels seems to modulate cytoskeleton and morphology of MDA-MB-231 cancer cells to promote the acquisition of a proinvasive phenotype. In conclusion NaV1.5 increases NHE1 activity in invadopodia to stimulate breast cancer cells invasiveness.

There is an urgent need to develop reliable and cost-saving methods to select pre-clinically new drug candidates with original mechanism for cancer therapy. Previous results have shown that IR spectra of cancer cells exposed to various drugs provided a global signature of all the metabolic changes induced by the treatments. In this thesis, we attempted to develop a selection criterion – based on FTIR spectroscopy – for potential antitumor compounds according to their mechanism of action. <p>In chapter III, it was demonstrated that spectral variations in IR spectra of cancer cells induced by a treatment can be correlated to the mechanism of the drug. Human prostate cancer PC-3 cells were exposed to 7 well-described anticancer drugs belonging to 3 distinct classes. Each class is characterized by a unique mode of action. Drugs known to induce similar types of metabolic disturbances appear to cluster when spectrum shapes are analyzed. Chapter IV generalized the results obtained on PC-3 cells with six other cell lines. We showed that the spectral signatures of drug effects are mainly independent of the cell line. Chapter V indicated that, while the cell cycle phase influence IR spectra of cells, the drug spectral signature was dominated by global metabolic modifications and not much by the cell cycle perturbations due to this drug. <p>Chapter VI and VII focused on lipids. While the precise identification of particular molecules is particularly complex with IR spectroscopy, we attempted to extract more precise information and to assign spectral variations to specific changes in lipids. IR spectra of lipids contain very interesting details on their nature and structure. We achieved to build a tool which quantifies five major lipid classes in complex mixtures such as total lipid cell extracts. However, based on this tool, the treatments used do not induce any variation in the lipid cell composition (for five classes).<p>Finally, in chapter VIII, we applied the method developed previously on a new potential class of anticancer molecules: the polyphenols. A global method was particularly interesting as the development of therapy using these compounds is hampered by the complexity of the multiple anticarcinogenic mechanisms of these molecules. We have noticed the similarities and discrepancies among 3 very close synthetic molecules and the observations were coherent with previous biological data. We also compared them with 3 natural molecules already in clinical phase for treatment of various cancers.<p>In conclusion, we developed an objective classifier for potential anticancer drugs based on their global effects on cancer cells. Applied to a larger scale, this method could constitute a first step in the screening method to select drugs with original mode of action.<p>There is an urgent need to develop reliable and cost-saving methods to select pre-clinically new drug candidates with original mechanism for cancer therapy. Previous results have shown that IR spectra of cancer cells exposed to various drugs provided a global signature of all the metabolic changes induced by the treatments. In this thesis, we attempted to develop a selection criterion – based on FTIR spectroscopy – for potential antitumor compounds according to their mechanism of action. <p>In chapter III, it was demonstrated that spectral variations in IR spectra of cancer cells induced by a treatment can be correlated to the mechanism of the drug. Human prostate cancer PC-3 cells were exposed to 7 well-described anticancer drugs belonging to 3 distinct classes. Each class is characterized by a unique mode of action. Drugs known to induce similar types of metabolic disturbances appear to cluster when spectrum shapes are analyzed. Chapter IV generalized the results obtained on PC-3 cells with six other cell lines. We showed that the spectral signatures of drug effects are mainly independent of the cell line. Chapter V indicated that, while the cell cycle phase influence IR spectra of cells, the drug spectral signature was dominated by global metabolic modifications and not much by the cell cycle perturbations due to this drug. <p>Chapter VI and VII focused on lipids. While the precise identification of particular molecules is particularly complex with IR spectroscopy, we attempted to extract more precise information and to assign spectral variations to specific changes in lipids. IR spectra of lipids contain very interesting details on their nature and structure. We achieved to build a tool which quantifies five major lipid classes in complex mixtures such as total lipid cell extracts. However, based on this tool, the treatments used do not induce any variation in the lipid cell composition (for five classes).<p>Finally, in chapter VIII, we applied the method developed previously on a new potential class of anticancer molecules: the polyphenols. A global method was particularly interesting as the development of therapy using these compounds is hampered by the complexity of the multiple anticarcinogenic mechanisms of these molecules. We have noticed the similarities and discrepancies among 3 very close synthetic molecules and the observations were coherent with previous biological data. We also compared them with 3 natural molecules already in clinical phase for treatment of various cancers.<p>In conclusion, we developed an objective classifier for potential anticancer drugs based on their global effects on cancer cells. Applied to a larger scale, this method could constitute a first step in the screening method to select drugs with original mode of action.<p><p>Afin d’améliorer les thérapies contre le cancer, il devient actuellement cruciale de développer une méthode pour améliorer la sélection préclinique de nouvelles molécules, potentiellement anticancéreuses. Des publications précédentes ont mis en évidence que les spectres infrarouges de cellules cancéreuses exposées à différents agents thérapeutiques fournissent une empreinte globale de l’ensemble des changements métaboliques induit par ce médicament. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser la spectroscopie infrarouge pour mettre au point un critère de sélection basé sur le mode d’action des agents anticancéreux. Plusieurs aspects de la technique ont été investigués. Nous avons d’abord démontré la possibilité d’utiliser les spectres infrarouges de cellules cancéreuses de prostate PC-3 traitées avec 7 drogues pour classer ces molécules selon leur mode d’action. Nous avons ensuite reproduit les résultats obtenus sur PC-3 avec 6 autres lignées cellulaires et montré que la signature spectrale obtenue était largement indépendante de la lignée. Par la suite, nous avons étudié si l’effet sur le cycle cellulaire induit par de nombreuses molécules anticancéreuses, pouvait expliquer certains changements spectraux observés suite au traitement. Nous avons pu montrer que la majorité des variations spectrales n’étaient pas liées à une perturbation du cycle cellulaire. Nous nous sommes ensuite concentrés sur une classe de molécules en particulier: les lipides. Après avoir mis en évidence l’ensemble des informations contenues dans un spectre infrarouge de lipides, nous avons mis au point un modèle permettant de quantifier 5 classes de lipides dans des mélanges complexes tels que des extraits lipidiques provenant de cellules. Néanmoins, aucune variation du contenu en ces 5 classes de lipides n’a été observée pour les traitements utilisés dans cette étude. Enfin, nous avons appliqué la méthode mise au point dans cette thèse à une classe de molécules prometteuses :les polyphénols. Une approche globale s’avère particulièrement intéressante pour ces composés étant donné qu’ils présentent des mécanismes anticancéreux multiples et complexes. Nous avons comparé 3 molécules naturelles en phase clinique pour le traitement de certains cancers et 3 molécules synthétiques présentant une structure très proche. Par notre méthode, nous avons mis en évidence certaines similarités et différences de ces 6 molécules en termes d’effets globaux sur les cellules. En conclusions, nous avons développé un outil objectif de classification pour les molécules anticancéreuses potentielles, basée sur le mécanisme global des composés. Appliquée à plus large échelle, cette méthode pourrait constituer une première étape permettant de sélectionner les molécules avec un mode d’action original. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le traitement du cancer par thérapie génique nécessite d’une part des gènes suicides efficaces et, d’autre part, l’adressage spécifique de ces gènes aux cellules cancéreuses. J'ai d'abord caractérisé un nouveau gène suicide dérivé de la désoxycytidine kinase humaine (dCK) : le M36. Comparé à la dCK, le M36 permet une meilleure sensibilisation des certaines cellules cancéreuses aux traitements avec différents chimiothérapeutiques comme la gemcitabine et la cytarabine. Ces résultats sont particulièrement encourageants pour l'élimination des cellules cancéreuses résistantes à ces traitements du fait d’un défaut de la dCK. Dans une deuxième partie, je me suis intéressée à l'adressage spécifique des transgènes aux cellules cancéreuses par les vecteurs lentiviraux. J'ai travaillé à la preuve de concept qu’une enveloppe (Env) VIH modifiée peut permettre un tel ciblage. J'ai généré une Env qui a fortement diminué son tropisme naturel et qui comporte un motif liant le marqueur tumoral modèle HER2. / Cancer gene therapy requires the use of an effective suicide gene and the specific targeting of cancer cells. In my PhD work, I have first characterized a new potential suicide gene derived from human deoxycytidine kinase (dCK): M36. Compared to dCK, M36 improves sensitization of certain cancer cells to treatment with chemotherapeutic compounds as gemcitabine and AraC. These results are particularly encouraging for the elimination of cancer cells resistant to the treatment because of a defect with dCK. In a second part, I have worked at the proof of concept that a modified HIV envelope can allow specific targeting of cancer cells by lentiviral vectors. During this work, I have generated a CD4i envelope with a strongly diminished natural tropism and that carries a motif known to bind the model cell surface cancer marker HER2. This envelope constitutes a good starting material to be improved by evolution in cell culture to obtain specific targeting of HER2+ cells.

Cette thèse porte sur la modélisation et l’analyse de stabilité de certains mécanismes biologiques complexes en rapport avec le cancer. Un intérêt particulier est porté au cas de l’hématopoïèse et de la leucémie aiguë myéloblastique (LAM). Les modèles utilisés et/ou introduits dans cette thèse se décrivent par des équations aux dérivées partielles structurées en âge, qui se réduisent à des systèmes à retards de plusieurs types (retards ponctuels ou distribués, à support fini ou infini). Ces modèles à retards sont parfois couplés à des équations aux différences, et possiblement avec des paramètres variant dans le temps. Un des principaux challenges dans ce travail consiste à développer des méthodes temporelles, qui se basent sur la construction de fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii strictes, pour les systèmes non-linéaires à retards étudiés. Les principales notions abordées dans ces travaux incluent : l’analyse de stabilité/stabilisation et de robustesse, l’emploi de techniques de modélisation des populations cellulaires saines et malades, l’étude de différentes classes de systèmes dynamiques, (possiblement à temps variant ou à commutation), et également l’introduction de quelques outils issus de l’intelligence artificielle (planification et recherche de solution) dans un contexte de modèles biologiques. Ainsi, les méthodes de modélisation et d’analyse employées dans ce travail ont permis d’une part d’étendre les résultats de stabilité de cette classe de systèmes biologiques, et d’autre part de mieux comprendre certains mécanismes biologiques liés au cancer et sa thérapie. Plus précisément, certains concepts récemment établis en biologie et en médecine sont mis en évidence dans ce travail pour la première fois dans cette classe de systèmes, telles que : la dédifférenciation des cellules (plasticité), ou encore la dormance des cellules cancéreuses dans des modèles tenant compte de la cohabitation entre cellules saines et mutées. Les résultats obtenus sont interprétés dans le cas de l’hématopoïèse et de la LAM, mais ce travail s’applique également à d’autres types de tissus où le cycle cellulaire se produit de façon similaire. / Medical research is looking for new combined targeted therapies against cancer. Our research project -which involves intensive collaboration with hematologists from Saint-Antoine Hospital in Paris- is imbued within a similar spirit and fits the expectations of a better understanding of the behavior of blood cell dynamics. In fact, hematopoiesis provides a paradigm for studying all the mammalian stem cells, as well as all the mechanisms involved in the cell cycle. We address multiple issues related to the modeling and analysis of the cell cycle, with particular insights into the hematopoietic systems. Stability features of the models are highlighted, since systems trajectories reflect the most prominent healthy or unhealthy behaviors of the biological process under study. We indeed perform stability analysis of systems describing healthy and unhealthy situations, with a particular interest in the case of acute myeloblastic leukemia (AML). Thus, we pursue the objectives of understanding the interactions between the various parameters and functions involved in the mechanisms of interest. For that purpose, an advanced stability analysis of the cell fate evolution in treated or untreated leukemia is performed in several modeling frameworks, and our study suggests new anti-leukemic combined chemotherapy. Throughout the thesis, we cover many biological evidences that are currently undergoing intensive biological research, such as: cell plasticity, mutations accumulation, cohabitation between ordinary and mutated cells, control or eradication of cancer cells, cancer dormancy, etc.Among the contributions of Part I of the thesis, we can mention the extension of both modeling and analysis aspects in order to take into account a proliferating phase in which most of the cells may divide, or die, while few of them may be arrested during their cycle for unlimited time. We also introduce for the first time cell-plasticity features to the class of systems that we are focusing on.Next, in Part II, stability analyses of some differential-difference cell population models are performed through several time-domain techniques, including tools of Comparative and Positive Systems approaches. Then, a new age-structured model describing the coexistence between cancer and ordinary stem cells is introduced. This model is transformed into a nonlinear time-delay system that describes the dynamics of healthy cells, coupled to a nonlinear differential-difference system governing the dynamics of unhealthy cells. The main features of the coupled system are highlighted and an advanced stability analysis of several coexisting steady states is performed through a Lyapunov-like approach for descriptor-type systems. We pursue an analysis that provides a theoretical treatment framework following different medical orientations, among which: i) the case where therapy aims to eradicate cancer cells while preserving healthy ones, and ii) a less demanding, more realistic, scenario that consists in maintaining healthy and unhealthy cells in a controlled stable dormancy steady-state. Mainly, sufficient conditions for the regional exponential stability, estimate of the decay rate of the solutions, and subsets of the basins of attraction of the steady states of interest are provided. Biological interpretations and therapeutic strategies in light of emerging AML-drugs are discussed according to our findings.Finally, in Part III, an original formulation of what can be interpreted as a stabilization issue of population cell dynamics through artificial intelligence planning tools is provided. In that framework, an optimal solution is discovered via planning and scheduling algorithms. For unhealthy hematopoiesis, we address the treatment issue through multiple drug infusions. In that case, we determine the best therapeutic strategy that restores normal blood count as in an ordinary hematopoietic system.

Les inhibiteurs de poly(ADP-ribose) polymérase (PARPi) ciblent sélectivement les cellules porteuses de défauts des voies de réparation de l’ADN tels que les mutations de BRCA1/2 et les défauts d’ERCC1. Sur le plan clinique, plusieurs PARPi ont été approuvés pour le traitement des cancers BRCA-mutés ou platine-sensibles du sein et de l’ovaire, et des essais cliniques sont en cours pour évaluer l’efficacité des PARPi dans le cancer bronchique non-à-petites cellules (CBNPC) platine-sensible. Alors que les PARPi ont un fort potentiel thérapeutique dans les cancers comportant des défauts de réparation de l’ADN, de plus en plus d’essais cliniques évaluent également l’efficacité de ces médicaments en combinaison avec les « inhibiteurs d’immune checkpoints » (ICI) dans diverses populations de patients. Dans ce contexte, il est essentiel de mieux comprendre comment les PARPi modulent la réponse immunitaire anti-tumorale, et d’étudier le potentiel immunologique inhérent de ces médicaments.Dans cette étude, nous avons établi que les cellules de CBNPC déficientes en ERCC1 expriment fortement la signature interféron (IFN) de type I, et que les tumeurs de CBNPC ayant une faible expression d’ERCC1 ont un infiltrat lymphocytaire renforcé. En utilisant des lignées cellulaires isogéniques et des xénogreffes dérivées de patients, nous avons montré que plusieurs PARPi, notamment l’olaparib et le rucaparib, ont des propriétés immunomodulatrices dans les modèles de CBNPC ERCC1-déficients et de cancers du sein triple-négatifs (CSTN) BRCA1-mutés. D’un point de vue mécanistique, les PARPi génèrent des fragments d’ADN cytoplasmiques ayant les caractéristiques de micronoyaux ; ceux-ci activent la voie cGAS/STING et déclenchent une réponse IFN de type I, associée à la sécrétion de la cytokine CCL5. De manière importante, ces effets sont largement diminués dans les cellules de CSTN BRCA1-révertantes et les cellules de CBNPC ré-exprimant ERCC1, ce qui suggère que les défauts de réparation de l’ADN amplifient les phénotypes immunitaires associés au traitement par PARPi. En outre, ces effets sont totalement abrogés dans les cellules de CSTN PARP1-neutralisées, ce qui confirme que les phénotypes observés dépendent d’un effet spécifique des PARPi sur leur cible.Au-delà de leur potentiel d’activation d’une immunité spécifique des cellules cancéreuses via cGAS/STING et la signalisation IFN de type I, nous avons également constaté que les PARPi potentialisent les effets inducteurs de l‘IFN de type II sur l’expression de PD-L1 dans des lignées cellulaires et cellules tumorales fraîches de patients CBNPC, surtout en présence de défauts d’ERCC1. De plus, nous avons montré que certains PARPi, utilisés à des concentrations létales, activent de manière indépendante les éléments moléculaires clés de la mort cellulaire immunogénique, dont l’exposition de la calréticuline à la surface des cellules cancéreuses, la sécrétion d’ATP et le relargage d’HMGB1 en grandes quantités dans le milieu extracellulaire.Dans l’ensemble, ces données précliniques suggèrent que les PARPi ont des propriétés immunomodulatrices intrinsèques qui participent à l’activation de réponses immunitaires anti-tumorales ; ce potentiel pourrait être exploité cliniquement en combinaison avec les ICI dans des populations adéquatement sélectionnées au plan moléculaire. / Poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) selectively target cancer cells with DNA repair deficiencies such as BRCA1/2 mutations or ERCC1 defects. Clinically, several PARPi are currently approved for the treatment of BRCA-mutant or platinum-sensitive advanced ovarian and breast cancers, and ongoing clinical trials are investigating the efficacy of PARPi in platinum-sensitive Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC). While PARPi constitute potent targeted therapies for the treatment of DNA repair-deficient malignancies, an increasing number of clinical trials are also evaluating their efficacy in combination with immune checkpoint inhibitor (ICI) in various populations. In this context, it is of critical importance to better understand how PARPi might modulate immune responses against cancer, and to investigate the inherent immunological potential of these agents.In this study, we show that ERCC1-defective NSCLC cells exhibit an enhanced type I interferon (IFN) transcriptomic signature and that low ERCC1 expression correlates with increased lymphocytic infiltration in human NSCLC tumours. Using isogenic cell lines and patient-derived xenografts, we further demonstrate that several clinical PARPi, including olaparib and rucaparib, display cell-autonomous immunomodulatory properties in ERCC1-defective NSCLC and BRCA1-mutant triple-negative breast cancer (TNBC) models. Mechanistically, PARPi generate cytoplasmic chromatin fragments with micronuclei characteristics; this activates the cGAS/STING pathway and elicits downstream type I IFN signalling and CCL5 secretion. Importantly, these effects are suppressed in BRCA1-reverted TNBC cells and ERCC1-rescued NSCLC cells, suggesting that DNA repair defects exacerbate the innate immunity-related phenotypes triggered by PARPi. Similarly, these effects are totally abrogated in PARP1-null TNBC cells, supporting the on-target effect of PARPi in mediating such phenotypes. Besides this potential to activate tumour cell-autonomous immunity through cGAS/STING and type I IFN signalling, we also observed that PARPi synergize with type II IFN to induce PD-L1 expression in NSCLC cell lines and fresh patient tumour cells, especially in the ERCC1-deficient setting. Moreover, we show that lethal concentrations of some PARPi independently activate the key damage-associated molecular patterns dictating the immunogenicity of cancer cell death, including calreticulin exposure at the tumour cell surface, ATP secretion and HMGB1 release in the extracellular compartment.Together, these preclinical data suggest that PARPi have intrinsic immunomodulatory properties that activate anti-cancer immune responses; this could be exploited clinically in combination with ICI in appropriately molecularly-selected populations.

Le resvératrol (RV/RSV) est un composé chimique organique connu pour ses effets anticancéreux mais aussi pour son effet rajeunissant sur les cellules et les organismes. Afin d’étudier le ou les multiples mécanismes à l’origine de ces effets, Y. Benslimane du laboratoire Harrington a étudié l’effet du resvératrol in vitro, à des concentrations de l’ordre de 12,5 μM à 25 μM, sur plusieurs lignées de cellules cancéreuses humaines, notamment NALM6 et JURKAT. Ses recherches ont démontré que le traitement par resvératrol conduit à l’activation de la voie de signalisation ATR/CHK1, qui maintient les cellules mitotiques en phase S afin d'induire la réparation de l'ADN. Dans ces cellules, le resvératrol présente spécifiquement une signature similaire à celle de l’hydroxyurée, un composé anticancéreux connu pour l’induction de stress réplicatif. Cette induction de stress réplicatif semble complémentaire aux mécanismes de la littérature existante, qui présente le resvératrol comme un activateur de sirtuines, une famille d’histones désacétylases hautement conservées entre les espèces et impliquées dans la réparation de l'ADN et la réponse métabolique. Cependant, alors que plusieurs articles démontrent une activation de la sirtuine 1 (SIRT1) comme conséquence notable du traitement par le resvératrol, les études de Benslimane et al. ont démontré quant à elles que le knock-out de la sirtuine 1 dans les cellules NALM6 et Jurkat n’affectait pas le phénotype de stress réplicatif observé. Or les concentrations de resvératrol employées dans l’ensemble de la littérature scientifique varient de 0,5 μM à 100 μM in vitro, laissant supposer une variance dans les conditions expérimentales qui pourrait expliquer la variance de résultats observés. Dans ce contexte, nous avons émis l’hypothèse que l’effet du resvératrol était dépendant de la concentration utilisée, autrement dit, que son effet était biphasé. Plus spécifiquement, dans les cellules NALM6 cancéreuses, nous avons supposé que les stress réplicatif causé par des concentrations élevées (>12,5 μM) de resvératrol pouvait masquer l’activation des sirtuines et spécifiquement celle de la sirtuine 1, tandis que des concentrations plus faibles (<5 μM) 4 permettraient l’observation potentielle de mécanismes parallèles à l’activation de la voie ATR/CHK1. Nous avons également émis l’hypothèse que l’échelle temporelle d’observation jouait un rôle dans la mesure des résultats et leur observabilité. Afin d’examiner nos hypothèses, nous avons dans un premier temps fixé le temps d’observation à 72h après traitement, et évalué l'effet du resvératrol et de l'inhibiteur de l'ATR VE-821 sur la viabilité cellulaire relative dans les cellules NALM6 WT, p53 KO et SIRT1 KO. La lignée p53 KO fut choisie, car p53 est en aval des voies de signalisation ATR/CHK1 et SIRT1. Cette expérience a montré une augmentation légère et non significative de la viabilité relative dans les trois lignées à des concentrations de resvératrol d'environ 2,5 μM, et une réduction significative de la viabilité à des concentrations supérieures à 10 μM. En outre, le score de synergie Bliss a révélé un effet additif entre le resvératrol et VE-821. Dans un second temps, nous avons quantifié l’effet de différentes concentrations de resvératrol sur le cycle cellulaire. Dans les trois lignées cellulaires, on trouve un pourcentage significatif de cellules arrêtées en phase S après un traitement de 24 heures avec 12,5 μM de resvératrol, mais aucune différence significative entre les conditions DMSO et 2,5 μM de resvératrol. On n’observe pas de différence significative entre les lignées. Enfin, une expérience temporelle révèle que les effets du resvératrol pourraient s'estomper après 16h, et montre une légère augmentation des cellules arrêtées en phase S après un traitement à 2,5 μM de resvératrol à 16h, par rapport au contrôle DMSO, suggérant un temps d’observation intéressant en deçà de 16h et un potentiel effet du resvératrol à faible dose. Ces résultats semblent confirmer l'action du resvératrol sur la voie ATR/CHK1, avec un arrêt du cycle cellulaire en phase S après traitement par 12,5 μM de resvératrol, dans les trois lignées WT, SIRT1 KO et p53 KO. Ils suggèrent également un effet potentiellement bénéfique du resvératrol à faibles doses par le biais d'un stress réplicatif de faible intensité, sans démontrer de dépendance à SIRT1 ou p53. Enfin, ils soulignent la nécessité d’une observation à différentes échelles temporelles. / Resveratrol (RV/RSV) is an organic chemical compound known for its anti-cancer and rejuvenating effects on cells and organisms. To investigate the multiple mechanisms behind these effects, Y. Benslimane of the Harrington laboratory studied the effect of resveratrol in vitro, at concentrations ranging from 12.5 μM to 25 μM, on several human cancer cell lines, including NALM6 and JURKAT. His research has shown that treatment with resveratrol leads to activation of the ATR/CHK1 signaling pathway, which keeps mitotic cells in S phase to induce DNA repair. Resveratrol specifically displays a signature similar to that of hydroxyurea, an anti-cancer compound known to induce replicative stress. This induction of replicative stress seems complementary to the mechanisms exposed in the literature, which presents resveratrol as an activator of sirtuins, a family of histone deacetylases highly conserved across species and involved in DNA repair and metabolic response. However, while several articles demonstrate activation of sirtuin 1 (SIRT1) as a notable consequence of resveratrol treatment, studies by Benslimane et al. showed that sirtuin 1 knockout in NALM6 and Jurkat cells did not affect the observed phenotype of replicative stress. Because concentrations of resveratrol used in the literature vary from 0.5 μM to 100 μM in vitro, we hypothesized that this variance in experimental conditions might explain the variety of results observed. More specifically, in NALM6 cancer cells, we hypothesized that replicative stress caused by high concentrations (>12.5 μM) of resveratrol could mask activation of sirtuins and specifically sirtuin 1, while lower concentrations (<5 μM) would allow the potential observation of mechanisms parallel to activation of the ATR/CHK1 pathway. We also hypothesized that the time scale of observation played a role in the measurement of results and their observability. To examine our hypotheses, we first set the observation time at 72h post-treatment, and assessed the effect of resveratrol and the ATR inhibitor VE-821 on relative cell viability in NALM6 WT, p53 KO and SIRT1 KO cells. The p53 KO line was chosen, as p53 is downstream of the 6 ATR/CHK1 and SIRT1 signaling pathways. This experiment showed a slight, non-significant increase in relative viability in all three lines at resveratrol concentrations of around 2.5 μM, and a significant reduction in viability at concentrations above 10 μM. In addition, the Bliss synergy score revealed an additive effect between resveratrol and VE-821. In a second step, we quantified the effect of different resveratrol concentrations on the cell cycle. In all three cell lines, we found a significant percentage of cells arrested in S phase after 24h treatment with 12.5 μM resveratrol, but no significant difference between DMSO and 2.5 μM resveratrol conditions. No significant difference was observed between lines. Finally, a time-course experiment revealed that the effects of resveratrol might fade after 16h, and showed a slight increase in S-phase arrested cells after treatment with 2.5 μM RSV at 16h, compared with the DMSO control, suggesting an interesting observation time below 16h and a potential effect of resveratrol at low doses. These results seem to confirm the action of resveratrol on the ATR/CHK1 pathway, with cell cycle arrest in S phase after treatment with 12.5 μM resveratrol, in the three lines WT, SIRT1 KO and p53 KO. They also suggest a potentially beneficial effect of low-dose resveratrol via low-intensity replicative stress, without demonstrating dependence on SIRT1 or p53. Finally, they emphasize the need for observation on different time scales.

Afin de permettre l’application chez l’homme de nouvelles technologies médicales comme la thérapie cellulaire régénératrice, il est primordial d’être en mesure de localiser in vivo les cellules transplantées à l’intérieur d'un tissu. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique de choix en raison de son excellente résolution anatomique. Par contre, l’utilisation d’un agent de contraste est nécessaire afin de marquer et de suivre à la trace des cellules implantées puisque leur contraste intrinsèque les rend difficiles à distinguer des tissus environnants. Les agents à effet de contraste négatif tel que les oxydes de fer sont les plus souvent envisagés pour effectuer un suivi cellulaire in vivo. Un problème se pose lorsqu’il est question de quantification ou de localisation précise d’une implantation cellulaire. En effet, la présence d’un artéfact négatif excédant le volume qu’occupent les cellules nuit à la précision de la technique. Pour ces raisons, ce projet porte sur l’élaboration d’une méthodologie de marquage de cellules cancéreuses employant un agent de contraste d’IRM générant un contraste positif. Ce projet de recherche avait pour but d’évaluer le potentiel des nanoparticules d’oxyde de manganèse (MnO) et d’oxyde de gadolinium (Gd2O3) comme agents de contraste pour le marquage cellulaire. Des nanoparticules synthétisées par des collègues ont été utilisées dans le cadre de ce projet. Le projet de maîtrise décrit ici est constitué de trois volets : 1) le développement d’un protocole d’analyse élémentaire des éléments chimiques Mn et Gd dans des cellules marquées d’agent de contraste; 2) l’élaboration d’une procédure de quantification du signal généré par des cellules marquées par un agent de contraste paramagnétique; et 3) la démonstration de la possibilité de suivre in vivo par IRM, des cellules marquées. Ce projet a été ponctué de mesures de viabilité cellulaire ainsi que d’études de microscopie à transmission (MET) cellulaire, permettant de démontrer l’internalisation des agents de contraste dans les cellules. Les cellules marquées ont été visualisées en IRM sous forme de culots de cellules de différentes tailles, puis implantées par stéréotaxie chez des souris afin de réaliser un suivi de la prolifération des cellules in vivo. Ces études ont permis de mesurer le signal d’IRM généré par des cellules cancéreuses marquées de nanoparticules de MnO et de Gd2O3, en utilisant des séquences dites « pondérées en T1». Ces études montrent que les nanoparticules paramagnétiques permettent de détecter plusieurs dizaines de milliers de cellules implantées localement ( 20 000). Cette limite intrinsèque devrait être prise en compte dans les procédures d’implantation utilisant des marqueurs paramagnétiques à base de Gd et de Mn. / To allow the application of new medical technologies such as regenerative cell therapy to humans, it is essential to be able to localize the tissue-implanted cells in vivo. Magnetic resonance imaging (MRI) is a technique of choice because of its excellent anatomical resolution. On the other hand, use of a contrast agent is required to label and keep track of the implanted cells as their intrinsic contrasts make them difficult to distinguish from surrounding tissue. Negative contrast agents like iron oxides are the most often considered tracking cells in vivo. A problem appears when quantification or determination of the exact location of a cell implantation is needed. Indeed, the presence of a negative artifact far exceeding the volume occupied by the cells compromises the accuracy of the technique. For these reasons, this project focuses on developing a methodology to label cancer cells using a positive contrast agent for MRI. This research project aims at evaluating the potential of manganese oxide (MnO) and gadolinium oxide (Gd2O3) nanoparticles as contrast agents for cell labeling. Nanoparticles synthesized by co-workers were used in this project. The master's project described here consists of three (3) components: 1) development of a valid protocol of elemental analysis of Mn and Gd quantification in labeled cells, 2) development of a procedure for quantification of the MRI signal generated by cells labeled with paramagnetic contrast agent, and 3) demonstrating of the in vivo track ability by MRI, cells labeled with a paramagnetic agent. This project was punctuated by measures of cell viability and cell visualisation by transmission electron microscopy (TEM), to demonstrate the internalization of contrast agents into cells. The labeled cells were visualized by MRI in the form of cell pellets of various sizes, and implanted in mice by stereotactic methods to achieve a monitoring of cell proliferation in vivo. These studies measure the MRI signal generated by cancer cells labeled by MnO and Gd2O3 nanoparticles, using "T1 weighted" sequences. These studies show that paramagnetic nanoparticles can detect tens of thousands of locally implanted cells ( 20 000). This inherent limit should be taken into account in the settlement procedures using Gd and Mn based labels.

Le sarcome de Ewing est la seconde tumeur pédiatrique de l’os la plus fréquente. Elle est caractérisée par une translocation chromosomique résultant à la fusion de EWSR1 avec un membre de la famille ETS. Chez 85% des patients, cette fusion conduit à l’expression de la protéine chimérique EWS-FLI1 qui est l’oncogène majeur de ce sarcome. Ce dernier agit principalement par son action transcriptionelle sur des cibles qui lui sont propres. Au niveau thérapeutique, le sarcome d’Ewing est traité par chimiothérapie, chirurgie locale et par radiothérapie. La survie à long terme des patients est de l’ordre de 70%, mais beaucoup plus basse pour les patients métastatiques et quasi nulle lors d’une récidive. Parmi maintes caractéristiques, certains cancers présentent une dérégulation énergétique. L’influence d’EWS-FLI1 sur cet aspect n’a fait l’objet d’aucune étude dans le contexte du sarcome d’Ewing. Nous avons donc étudié par profilage métabolomique des cellules de sarcome d’Ewing en présence ou en absence d’EWS-FLI1. En comparant ces deux conditions, des modulations du profil énergétique relatif au cycle de Krebs, des précurseurs de le glycosylation ainsi que des métabolites de la voie de la méthionine et du tryptophane ont été observés. En parallèle, grâce à un crible de banque de shRNAs réalisé dans des conditions expérimentales similaires à l’étude métabolomique (lignée d’Ewing avec ou sans EWS-FLI1), nous avons pu identifier des gènes présentant des caractéristiques « synthétique létales », c'est-à-dire tuant uniquement les cellules du sarcome d’Ewing en présence de son oncogène. / Ewing sarcoma, the second most commonly occurring pediatric bone tumor, is most often characterized by a chromosomal translocation between EWSR1 and FLI1. The gene fusion EWS-FLI1 accounts for 85% of all Ewing sarcoma and is considered the major oncogene and master regulator of Ewing sarcoma. EWS-FLI1 is a transcriptional modulator of targets, both directly and indirectly. Ewing sarcoma is aggressively treated with chemotherapy, localized surgery and radiation and has an overall survival of about 70%, however, survival for metastasis or relapsed cases remains low. One of the cancer hallmarks, metabolic deregulation, is most likely partly dependent on EWS-FLI1 in Ewing sarcoma cells. In order to get a better understanding of Ewing sarcoma biology and oncogenesis, it might be of high interest to investigate the influence of EWS-FLI1 in Ewing sarcoma cells. We therefore performed a global metabolic profiling of Ewing sarcoma cells with or without inhibition of EWS-FLI1. Several changes in the energy metabolism were observed throughout this study; the observed changes were consistent with an energy profile that moved from a cancer cell energy metabolism towards the energy metabolism of a more normal cell upon EWS-FLI1 inhibition, primarily based on the TCA cycle. Levels of TCA intermediates, glycosylation precursors, methionine pathway metabolites and amino acids, especially changes in the tryptophan metabolic pathway, were altered upon EWS-FLI1 inhibition. Parallel to this study, we performed a high-throughput synthetic lethality screen, in order to not only identify essential genes for cell survival and proliferation, but also to identify new synthetic lethal targets that could specifically target Ewing sarcoma cells carrying the EWS-FLI1 fusion gene.

The goal of this thesis is the development of a tracking algorithm for populations of unmarked cancer cells that migrate in 3D in vitro gels. The tracking algorithm is intended to be a tool for analysing the motility of large population (i.e. hundreds) of cells in the context of the anti-migratory drug development and more specifically drug screening. In oncology, cancer cell migration plays pivotal roles in the spread of cancer cells from a primary tumor site to neighboring and secondary sites, i.e. the processes of tissue invasion and metastasis. Preventing such processes represents an important therapeutic approach to cancer treatment. Providing tools able to test potential anti-migratory drugs thus constitutes currently a real need in oncology therapy. The goal of drug screening in this context aims to rapidly and efficiently test the anti-migratory effects of many experimental conditions on cancer cell populations.<p>The focus in this thesis lies in two specific aspects that are important in anti-migratory drug screening: tracking cells inside an in vitro 3D environment and doing so using unmarked cells. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished