Abstract: Advances in curing rectal cancer came from successful chemoradiotherapy. Platinum-based drugs such as oxaliplatin have also been studied and integrated in treatment strategies against rectal cancer. Although platinum-based drugs can act as radiosensitizers, their radiosensitizing activity is limited by their narrow therapeutic index which avoids the dose escalation. In addition, it is important also to optimize the schedule of drug administration with radiation treatment to gain advantage of drug-radiation interactions and maximize tumor response. We evaluated the new liposomal formulation of cisplatin and oxaliplatin (Lipoplatin and Lipoxal, respectively) that should increase the anticancer effectiveness while minimizing the side effects. We investigated different chemoradiation schedules to assess the best antitumor efficacy with regard to our hypothesis of the "true" concomitant chemoradiotherapy which consist in the addition of radiation at the time of maximum accumulation of platinum in the DNA of cancer cells. We performed in vitro studies using human colorectal carcinoma HCT116, and in vivo using nude mice HCT116 xenograft. Pharmacokinetic studies on platinum accumulation were measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. Regarding the results of DNA-platinum concentrations, the synergy with radiation was assessed for in vitro and in vivo studies. Cytotoxicity was determined by a colony formation assay, while the resulting tumor growth delay in animal model was correlated to induction of apoptosis and histophatology analyses. The synergism of combined treatments was evaluated using the combination index method. In this study, a radiosensitizing enhancement was observed with combining radiation treatment with cisplatin, oxaliplatin and their liposomal formulations in both in vitro and in vivo studies. Variations of platinum accumulation with incubation time in normal and tumor tissues and in different cell compartments, as well as platinum-DNA were measured. A higher level of synergism was observed when radiotherapy was performed in vitro at 8 h of exposure and in vivo at 4 and 48 h after drug administration, which corresponded to the times of maximal platinum binding to tumor DNA. These results were correlated to a highest induction of apoptosis and a low mitotic activity. In conclusion, the optimal treatment schedule of chemoradiotherapy is dependent on the time interval between drug administration and radiation, which was closely associated to the kinetics of platinum accumulation to DNA and the intracellular concentration of the platinum drugs. Regarding our hypothesis, administered radiotherapy to the time intervals of maximum synergism could improve efficacy of chemoradiation treatment. This should be confirmed in clinical trials. //Résumé: Les progrès des traitements du cancer colorectal proviennent principalement des succès en chimio-radiothérapie. Toutefois, l'augmentation de l'activité radiosensibilisante du cisplatine et de l'oxaliplatine est principalement limitée par leur toxicité ce qui limite la dose administrée. Par conséquent, l’optimisation de la séquence et de la cédule d’administration entre la chimiothérapie et la radiothérapie devient essentielle pour maximiser l’interaction du rayonnement ionisant et de la chimiothérapie et ainsi optimiser la réponse tumorale. Notre objectif est de développer une cédule optimale de la chimio-radiothérapie pour obtenir la meilleure efficacité anti-tumorale tout en minimisant les effets secondaires aux tissus sains. Pour atteindre ce dernier objectif, nous avons également évalué la nouvelle formulation liposomale de cisplatine et d’oxaliplatine (Lipoplatin™ et Lipoxal™, respectivement) qui ont pour but d'accroitre l'efficacité anticancéreuse tout en réduisant les effets secondaires. Nous avons étudié la séquence optimale de radio-chimiothérapie en lien avec notre hypoThèse de "vraie" concomitance qui favorise l'ajout de rayonnement au moment de l'accumulation maximale de platine dans l'ADN des cellules cancéreuses. Nous avons effectué des études in vitro utilisant le carcinome colorectal humain HCT116, et in vivo sur des souris nue HCT116 xénogreffe. Les études pharmacocinétiques sur l'accumulation de platine ont été mesurées par spectrométrie de masse couplée au plasma induit. La cytotoxicité a été déterminée par un essai de formation de colonie, tandis que le retard de croissance tumorale obtenue en modèle animal est corrélé à l'apoptose et analyses histopathologiques. La synergie des traitements combinés a été évaluée en utilisant l'indice de combinaison. Dans cette étude, nous avons observé une amélioration de la radiothérapie combinée avec le cisplatine, l'oxaliplatine et leurs formulations de liposomes à la fois in vitro et in vivo. Des variations entre l'accumulation du platine dans les cellules cancéreuses, de tissus normaux et tumoraux, ainsi que des adduits du platine à ADN en fonction de la cédule d'administration du médicament ont été observées. Un fort effet concomitant in vitro a été observé lorsque la radiothérapie a été délivrée à 8 h et in vivo à 4 et 48 h après l'administration du médicament, ce qui correspondait au temps de liaison maximale du platine à l'ADN tumoral. L'augmentation de la radiosensibilisation a été corrélée à une élévation de l’apoptose et une réduction de l’activité mitotique. La cédule de traitement optimal de la chimio-radiothérapie dépend de l'intervalle de temps entre l'administration de la radiation et de la drogue, ce qui a été étroitement associé à la cinétique d’accumulation de platine à l’ADN et de leurs concentrations intracellulaires. En conclusion, les meilleurs résultats in vitro et in vivo pourraient être ultérieurement confirmés en essai clinique pour valider ces concepts.

Abstract : Glioblastoma is the most common and aggressive brain cancer in adults. The current standard-of-care treatment includes surgical resection, radiation therapy with concomitant and adjuvant temozolomide (TMZ) chemotherapy. However, the addition of TMZ to radiation therapy only increased the median survival time (MeST) by 2.5 months. This limited improvement is partially attributable to the low accumulation of chemotherapeutic drugs in the brain tumor due to the blood-brain barrier (BBB). Thus, new delivery methods such as intra-arterial, BBB disruption and convection-enhanced delivery (CED) have been proposed to overcome this limitation. Besides, timing tumor irradiation to coincide with the maximal concentration of platinum-DNA adducts could result in improved tumor control. In this study, CED of cisplatin and oxaliplatin, their respective liposomal formulations Lipoplatin™, Lipoxal™, and carboplatin with or without 15 Gy of radiation therapy has been carried out in F98 glioma bearing Fischer rats to assess their toxicity and MeST. The amount of platinum-DNA adducts in the tumor at 4 h and 24 h after CED was measured and irradiation was administered at these two different time periods to test the concomitant effect. In addition, four liposomal carboplatin formulations with different chemo-physical properties were prepared and their toxicity and MeST were also evaluated in this animal model. Among the tested platinum drugs, carboplatin and Lipoxal™ demonstrated a highest maximum-tolerated dose of 25 µg and 30 µg respectively. CED of carboplatin showed the longest MeST of 38.5 days, and increased to 54.0 days with the addition of 15 Gy radiation therapy. However, radiation at 4 h after CED of either oxaliplatin or carboplatin did not show any survival improvement when compared to radiation at 24 h, although the quantity of platinum-DNA adducts at 4 h was higher than at 24 h after CED. In the four liposomal carboplatin formulations, anionic pegylated liposomal carboplatin showed the longest MeST of 49.5 days, due to its longer tumoral retention time and probably larger distribution volume in the brain. / Résumé : Le glioblastome est le cancer primaire du cerveau le plus courant et agressif chez l’adulte. Le traitement standard comprend la résection chirurgicale, la radiothérapie et la chimiothérapie concomitante et adjuvante avec le témozolomide(TMZ). L'addition de TMZ combinée la radiothérapie a augmenté la survie médiane (MeST) de 2,5 mois. Cette faible amélioration est partiellement due à l'accumulation limitée de médicaments chimiothérapeutiques dans la tumeur cérébrale à cause de la barrière hémato-encéphalique (BBB). Ainsi, de nouvelles méthodes comme l’injection intraartérielle, la rupture osmotique de la barrière hémato-encéphalique, la livraison augmentée par convection (CED) ont été suggérées pour surmonter ce problème. En plus, l’optimisation de l’irradiation de la tumeur lorsque le maximum d’adduits platine-ADN est atteint pourrait aboutir à un meilleur contrôle de la tumeur. Dans cette étude, nous avons injecté par CED le cisplatine, l’oxaliplatine, avec leur formulation liposomale Lipoplatin™, Lipoxal™ ainsi que le carboplatine avec ou sans radiation de 15 Gy. La toxicité et le temps de MeST ont été mesurés chez des rats Fischer porteurs du gliome. La quantité d'adduits platine-ADN dans la tumeur a été mesurée 4 h et 24 h après CED. L’irradiation de la tumeur a été effectuée à ces deux temps pour tester l'effet concomitant. En plus, quatre formulations liposomales de carboplatine avec différentes propriétés chimiophysiques ont été préparées et leur toxicité et MeST combiné à la radiation ont également été évalués. Parmi les drogues de platine testées, le carboplatine et Lipoxal™ ont démontré respectivement la dose maximale tolérée la plus élevée, soit 25 µg et 30 µg. La MeST du carboplatine était la plus longue avec 38,5 jours qui a augmenté à 54,0 jours avec l’addition de 15 Gy de radiothérapie. Toutefois, l’irradiation à 4 h après CED effectuée avec l'oxaliplatine et le carboplatine n'a pas amélioré la MeST comparé à l’irradiation à 24 h, bien que la quantité d'adduits platine-ADN à 4 h était supérieure à celle mesurée à 24 h après CED. Pour les quatre formulations liposomales de carboplatine, celle pégylée négatif a démontré la plus longue MeST, soit 49,5 jours.