Introdução: Em câncer de mama, existem evidências de que o microambiente pode influenciar o desenvolvimento do tumor no sítio primário, bem como em metástases regionais e a distância. Neste contexto, fibroblastos são importantes células estromais que podem influenciar a proliferação e a migração de células do câncer e podem prover um nicho apropriado para o desenvolvimento tumoral. Objetivos:O principal objetivo deste trabalho é comparar células estromais obtidas do tumor primário (PT), metástase linfonodal (N+) e medula óssea (BM) de pacientes com câncer de mama, através do perfil de expressão gênica. Pacientes e Métodos: Foi analisada a expressão gênica de fibroblastos (cultura primária) de 11 pacientes com câncer de mama. O perfil de expressão foi determinado em PT (n=4), N+(n=3) e BM (n=4) através de uma plataforma de cDNA microarray customizada (contendo 4.800 sequencias imobilizadas, representando cerca de 4600 genes), e os genes diferencialmente expressos foram identificados pelo teste SAM multiclasse, seguido pelo teste SAM de duas classes (TMEV, FDR 0%). A análise funcional foi realizada pelo software DAVID v6.7. Validação técnica foi realizada em 6 amostras previamente analisadas no microarray e a validação biológica em fibroblastos obtidos de outros 16 pacientes utilizando-se de RT-qPCR. Resultados: O perfil de expressão gênica dos fibroblastos obtidos de diferentes sítios mostraram 267 genes diferencialmente expressos, os quais apropriadamente agruparam os fibroblastos de acordo com suas origens (PT vs. N+ vs. BM). Apesar das diferenças entre PT e N+ serem representadas por 20 genes, as diferenças entre PT vs. BM e N+ vs BM foram mais significantes (235 e 245 genes diferencialmente expressos respectivamente). Análise funcional dos genes diferencialmente expressos mostrou enriquecimento de funções relacionadas ao desenvolvimento e morfogênese.A seguir, a expressão de alguns genes selecionados foi analisada em uma série diferente de amostras (validação biológica). Desse modo observamos que NOTCH2 confirmou uma alta expressão em N+ (vs. PT), e ADCY2, HECTD1, HNMT, LOX, MACF1 e USP16 confirmaram alta expressão em BM (vs PT). Conclusão:Em pacientes com câncer de mama, células estromais obtidas de diferentes origens apresentam um perfil de expressão gênica diferencial, o qual pode influenciar o comportamento do tumor / may influence tumor development in the primary site of breast cancer, as well as in regional and distant metastatic sites. In this context, fibroblasts are important stromal cells which influence proliferation and migration of cancer cells and may also provide an appropriate niche to tumor development. Objectives: The main objective of this work is the comparison of stromal cells from the primary tumor (PT), lymph node metastasis (N+) and bone marrow (BM) obtained from breast cancer patients, through gene expression profile. Patients and Methods: The gene expression profile was analyzed in fibroblasts primary culture from 11 breast cancer patients. The expression profiles of PT cells (n=4), N+ cells (n=3) and BM cells (n=4) were determined through a customized cDNA microarray platform (containing 4800 immobilized sequences which represents 4600 genes approximately). The analysis were performed by SAM multiclass (TMEV; FDR 0%), followed by SAM two classes test (TMEV; FDR 0%). Functional analysis was performed using DAVID v6.7. Technical validation was performed in same 6 samples that were previously analyzed in microarray experiments and biological validation was performed in fibroblasts obtained from other group of 16patients by RT-qPCR Results: The expression profile of fibroblasts obtained from three sites revealed 267 differentially expressed genes, which appropriately clustered fibroblasts in three different branches, in accordance with their origin (PT vs. N+ vs. BM). Although the differences between PT and N+ were represented by 20 genes, differences between PT vs. BM and N+ vs. BM were more significant (235 and 245 differentially expressed genes respectively). Functional analysis revealed enrichment of functions related to development and morphogenesis. Afterwards, the expression of some selected genes were analyzed in a different batch of samples (biological validation).Thereby, NOTCH2 confirmed high expression in N+ (vs. PT), and ADCY2, HECTD1, HNMT, LOX, MACF1 and USP16 confirmed high expression in BM (vs. PT). Conclusion: In breast cancer patients, stromal cells obtained from different origins present a differential gene expression profile, which may influence tumor behavior

Abstract The tumor microenvironment (TME) is critically important for tumor development. The microenvironment consists of fibroblasts, endothelial and immune cells as well as extracellular matrix (ECM), proteases and various other soluble factors produced by the cells. It is challenging to develop methods that appropriately mimic the human microenvironment, but this effort is essential in order to reliably elucidate the properties of potential anti-tumor drugs. The aim of this study was to create new 3D organotypic invasion models based on human tissue that would be used to study the effects of the anti-angiogenic molecules arresten and endostatin on tongue squamous carcinoma cells. The classic way to study cancer invasion has been to use a collagen invasion model that is created by mixing rat type I collagen, matrix produced by mouse EHS tumor cells and human fibroblasts. Our research group has developed a novel human myoma tissue based invasion model, which is composed of several different cell types and molecules that are normally present in the human TME. We show how this model is suitable for invasion studies, not only for oral cancer, but for other invasive cell lines as well. There are several matrix-derived fragments that have been shown to possess anti-angiogenic activity. Arresten is a 26 kDa fragment that is cleaved from type IV collagen and is known to inhibit angiogenesis, the formation of new capillaries and tumor growth in vivo. However, its effect on the tumor microenvironment in addition to endothelial cells has not been studied. We show that arresten also directly affects oral cancer cells by decreasing their migration and invasion as well as tumor size, invasion and angiogenesis in in vivo mouse xenografts. Another inhibitor of angiogenesis, endostatin, is cleaved from type XVIII collagen. It has been shown to suppress angiogenesis and tumor growth without toxicity or side effects in mouse models. Our studies show that endostatin directly affects tongue squamous carcinoma cells by reducing their invasion and spreading in organotypic 3D assays and mouse tumor models. In summary, arresten and endostatin are anti-angiogenic as well as anti-invasive molecules and therefore potential cancer drugs. They seem to have a direct effect on carcinoma cells making the cells less invasive. The myoma model allows us to study the effects of anti-cancer molecules with a new prospective. / Tiivistelmä Syövän mikroympäristö on erittäin tärkeä syövän kehittymisen kannalta. Se koostuu fibroblasteista, endoteeli- ja immuunisoluista, soluväliaineesta, proteaaseista ja monista muista solujen tuottamista liukoisista molekyyleistä. On haastavaa kehittää uusia menetelmiä, jotka jäljittelisivät oikeaa ihmisen syövän mikroympäristöä, mutta se on välttämätöntä uusien syöpälääkkeiden tutkimiseksi. Väitöstutkimuksen tavoitteena oli kehittää kolmiulotteinen ihmisen myoomakudokseen perustuvan invaasiomalli, jonka avulla voisimme tutkia verisuonten kasvua estävien arresten ja endostatin molekyylien vaikutusta kielisyöpäsoluihin. Aiemin syövän invaasiota on tutkittu käyttämällä klassista kollageeni-invaasiomallia, joka tehdään sekoittamalla rotan tyypin I kollageeniä, hiiren sarkoomasolujen tuottamaa matriksia ja ihmisen fibroblasteja. Tutkimuksissamme kehitimme uuden invaasiomallin, joka perustuu ihmisen myoomakudokseen. Tutkimuksessa sen todettiin sisältävän monia erilaisia soluja ja molekyylejä, joita on normaalistikkin syövän mikroympäristössä. Lisäksi osoitimme, että se sopii invaasiotutkimuksiin monille syöpätyypeille. Soluvälitilamatriksista pilkotaan useita erilaisia molekyylejä joilla on osoitettu olevan angiogeneesia hillitseviä ominaisuuksia. Arresten on 26 kDa kokoinen polypeptidi, jota pilkotaan tyypin IV kollageenista. Sen tiedetään vähentävän angiogeneesia – uusien verisuonten muodostumista ja syövän kasvua in vivo. Sen vaikutuksia muihin kuin endoteelisoluihin ei ole kuitenkaan tutkittu. Tutkimuksissamme se vaikutti suoraan kielisyöpäsoluihin vähentäen niiden liikkumista ja invaasiota kolmiulotteisissa organotyyppisisssä malleissa ja hiirimallissa. Toinen tutkimamme angiogeneesin inhibiittori on endostatin, jota pilkotaan tyypin XVIII kollageenista. Sen tiedetään vähentävän angiogeneesia hiirimalleissa ilman toksisia sivuvaikutuksia. Me osoitimme tutkimuksissamme, että se vaikuttaa suoraan kielisyöpäsoluihin vähentäen niiden invaasiota ja leviämistä 3D organotyyppisissä malleissa sekä hiirikokeissa. Koska arresten ja endostatin ovat anti-angiogeenisiä ja anti-invasiivisia molekyylejä, ne ovat täten potentiaalisia syöpälääkkeitä. Ne näyttäisivät vaikuttavan suoraan syöpäsoluihin vähentämällä niiden invaasiota. Myoomainvaasiomalli mahdollistaa syöpää ehkäisevien molekyylien tutkimisen uudella ja todenmukaisemmalla tavalla.

Abstract Oral tongue squamous cell carcinoma (OTSCC) is the most common cancer of the oral cavity. The 5-year mortality of OTSCC remains at about 50%. The tumor microenvironment (TME) is now recognized as an important factor in cancer progression and metastasis, as well as a tool for prognostication. The aim of this study was to elucidate the roles of TME hypoxia and soluble factors on cancer cell migration and invasion, and the prognostic value of two extracellular matrix (ECM) molecules: tenascin-C (TNC) and fibronectin (FN). Hypoxia was studied using oral squamous cell carcinoma cells in migration and invasion assays. Invasion assays were carried out using a 3D-myoma invasion method. Similarly, the effect of soluble factors as well as ECM alterations were studied using the myoma model: the effect of soluble factors was studied by rinsing the myoma discs prior to experiments, and ECM alterations by lyophilizing and rehydrating. ECM was further studied by analyzing the prognostic value of TNC and FN from OTSCC samples. The effect of hypoxia was shown to be OTSCC cell line dependent: the effect of hypoxia on migration and invasion was increased in aggressive cell lines. Additionally, the response to hypoxia was altered in rinsed tissue. Tissue rinsing media were analyzed and factors affecting cell motility were found. The TME was found to be pivotal for cancer invasion: invasion was impaired in non-neoplastic tissue. Furthermore, changes in the ECM by lyophilization and rehydration led to a change in the invasion mechanism. High expression of stromal TNC and FN were excellent prognosticators in early-stage OTSCC. In conclusion, the present study highlighted the role of various TME components in cancer cell invasion as well as prognostication in OTSCC. Additionally, this study provided feasible tools for more precise diagnosis of early-stage OTSCC. / Tiivistelmä Liikkuvan kielen levyepiteelikarsinooma (OTSCC) on suuontelon yleisin syöpä. Viiden vuoden kuolleisuus OTSCC:an on edelleen noin 50 %. Kasvaimen mikroympäristön (TME) tiedetään nykyään olevan tärkeässä roolissa syövän kehityksessä ja etäpesäkkeiden muodostuksessa, sekä tarjoavan työkaluja ennusteiden laadintaan. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää TME:n hypoksian ja liukoisten tekijöiden vaikutusta syöpäsolujen liikkumiseen ja invaasioon ympäröivään kudokseen, sekä tutkia kahden solunulkoisen matriksin (ECM) proteiinin, tenaskiini-C:n (TNC) ja fibronektiinin (FN), vaikutusta OTSCC:n ennusteeseen. Hypoksian vaikutusta tutkittiin käyttäen suun levyepiteelikarsinoomasoluja liikkuvuus- ja invaasiokokeissa. Invaasiokokeissa hyödynnettiin kolmiulotteista ihmisen myoomaan perustuvaa invaasiomallia. Myös liukoisten tekijöiden ja ECM:n muutosten vaikutusten tutkimisessa käytettiin myoomamallia: liukoisten tekijöiden vaikutusta tutkittiin huuhtomalla myoomakiekot ennen niiden käyttämistä, ja ECM:n muutosten vaikutusta kylmäkuivaamalla ja uudelleen nesteyttämällä myoomakiekot. ECM:ia tutkittiin myös analysoimalla TNC:n ja FN:n värjäytyvyyden merkitystä OTSCC:n ennusteessa. Hypoksian vaikutus osoittautui solulinjariippuvaiseksi: hypoksia lisäsi kielisyöpäsolujen liikkuvuutta ja invaasiota eniten aggressiivisimmilla solulinjoilla. Lisäksi solujen vaste hypoksialle oli erilainen huuhdotussa kudoksessa. Huuhteluliuos analysoitiin ja siitä löydettiin solujen liikkumiseen vaikuttavia tekijöitä. TME:n havaittiin olevan ratkaisevassa roolissa syöpäsolujen invaasiossa: syöpäsolut eivät kyenneet invasoitumaan lainkaan ei-neoplastiseen kudokseen. Lisäksi muutosten ECM:ssä havaittiin johtavan muutoksiin solujen käyttämässä invaasion mekanismissa. Strooman TNC:n ja FN:n värjäytyvyyden todettiin olevan erinomaisia ennustekijöitä aikaisen vaiheen OTSCC:ssa. Tiivistettynä voidaan todeta, että tämä tutkimus alleviivasi useiden TME:n komponenttien vaikutusta syövän invaasiolle ja ennusteelle OTSCC:ssä. Lisäksi se tarjoaa käyttökelpoiset työkalut (TNC ja FN) tarkemmalle diagnostiikalle aikaisen vaiheen OTSCC:ssä.

L’angiogénèse tumorale correspond à la formation de nouveaux vaisseaux sanguins afin d’alimenter la tumeur et d’amplifier son développement. Cette étape constitue un facteur pronostique défavorable pour les patients et son inhibition représente un fort intérêt thérapeutique. Parmi les acteurs participant à l’angiogénèse tumorale, on retrouve l’enzyme de dégradation héparanase au sein du microenvironnement tumoral de nombreux cancers. Ces travaux de thèse ont pour objectif de développer des inhibiteurs spécifiques de l’héparanase à partir de polysaccharides sulfatés pour le traitement de l’angiogénèse tumorale. La première partie de ces travaux a été consacrée à l’élaboration de polysaccharides sulfatés de bas poids moléculaires issus de sources animales (Héparine, Chrondroïtine sulfate), algales (Fucoïdanes, Carraghénane-λ-ι-κ) ou bactérienne (Dextran sulfate). Nous avons utilisé pour cela un procédé de dépolymérisation radicalaire assisté par ultrasons, développé en 2013 au laboratoire, que nous avons associé à un procédé de modification chimique appelé glycol-split. Les composés produits ont été évalués pour leurs activités d’inhibition de l’héparanase et de la coagulation sanguine. Ce criblage a notamment permis l’identification d’un dérivé de bas poids moléculaire issu de Carraghénane-λ possédant une forte inhibition de l’héparanase pour une faible inhibition de la coagulation. La deuxième partie de ces travaux s’est ensuite concentrée sur l’évaluation du potentiel anti-angiogénique des inhibiteurs de l’héparanase. Dans ce but, nous avons dans un premier temps évalué le rôle de l’hypoxie et/ou le manque de nutriments sur la production d’héparanase par des cellules de cancers mammaires. Dans ces conditions de stress, nous avons observé que la lignée MCF-7 excrétait une forte quantité d’héparanase. L’analyse en Matrigel 3D du réseau angiogénique formé par des cellules microvasculaires HskMEC, en présence du surnageant de MCF-7 riche en héparanase, a montré une forte stimulation de l’angiogénèse. Les mêmes tests réalisés en présence des inhibiteurs de l’héparanase ont montré une inhibition de l’angiogénèse qui semblait corrélée avec l’inhibition de l’héparanase. / Tumor angiogenesis is defined by the spouting of new blood vessels from preexisting ones in order to sustain and amplify the tumor development. This crucial step is associated with poor prognosis for patients and it’s inhibition is therefore considered as a primising way to treat cancer. Among several actors participating in the angiogenesis process, the degradative enzyme heparanase is active in the tumor microenvironment of many cancers. The work presented in this thesis aim to develop specific heparanase inhibitors using sulfated polysaccharides for the treatment of tumor angiogenesis. The first part of this work is dedicated to the conception of low molecular weights sulfated polysaccharides obtainable from animal source (Héparine, Chondroïtine sulfate), algal source (Fucoidan, Carrageenan-λ-ι-κ) and bacterial source (dextran sulfate). To do so, we used a depolymeriation process based on free radicals associated to ultrasonic waves developed in 2013 in the laboratory. This depolymerization method was then coupled with a chemical process called glycol-split. The produced compounds were evaluated for their capacity to inhibit heparanase and blood coagulation. This screening phase lead to the identification of a low molecular weight compound produced from λ-carrageenan endowed with a strong heparanase inhibition power and a low impact on the blood coagulation. The second part of this work was then focused on the evaluation of the anti-angiogenic properties of our best heparanase inhibitors. To do so, we first evaluated the role of hypoxia and lack of nutrients on the heparanase production from breast cancer cell lines. In these higly stressful conditions, we observed that the MCF-7 cell line secreted a huge amount of heparanase. 3D Matrigel angiogenesis network formation using Hsk-MEC microvascular cells in the presence of MCF-7 heparanase rich supernatant showed a strong angiogenesis stimulation. Same tests realized in the presence of heparanase inhibitors showed an angiogenesis inhibition power that seemed correlated with heparanase inhibition.

Le microenvironnement des cellules tumorales présente plusieurs particularités comme l'hypoxie, l'acidification du milieu extracellulaire et l'hypersécrétion d'enzymes hydrolytiques. Ces hydrolases, comme la cathepsine D et l'héparanase, interviennent dans les étapes de la progression tumorale et notamment l'angiogenèse. Cette thèse s'intègre dans un projet dont la finalité est de concevoir un nano-objet moléculaire enzymo-sensible qui réagirait d'une manière spécifique aux enzymes hypersécrétées dans le microenvironnement tumoral pour assurer de façon simultanée, une fonction de détection et de ciblage des tumeurs. La première partie de nos travaux a été consacrée à la conception et à la validation d'un lien peptidique intégrable dans l'objet moléculaire, sensible aux formes de la cathepsine D actives du microenvironnement tumoral de cancers mammaires. Cet objectif a été réalisé suite à l'étude cinétique de l'hydrolyse de 5 peptides par la cathepsine D mature et la pro-cathepsine D dans les conditions de pH du microenvironnement tumoral. Nous avons également étudié l'effet de l'hypoxie et de l'acidification du milieu extracellulaire sur la sécrétion des formes actives de la cathepsine D par la lignée tumorale de cancer mammaire MCF-7. Dans une deuxième partie, nous avons travaillé sur l'élaboration d'héparines de bas poids moléculaire pouvant assurer la fonction thérapeutique de l'objet moléculaire grâce à leur activité anti-angiogénique. Nous avons mis au point une méthode innovante pour la dépolymérisation de l'héparine qui consiste en une hydrolyse radicalaire par le péroxyde d'hydrogène assistée par les ultrasons. Cette technique permet la production d'oligosaccharides d'héparines caractérisées par des poids moléculaires et des degrés de sulfatation contrôlés. En fonction des conditions de dépolymérisation par cette technique, les héparines de bas poids moléculaires produites peuvent être utilisées comme anticoagulant ou anti-angiogénique. / Tumor microenvironment is characterized by several particularities such as hypoxia, extracellular media acidification and the hyper-secretion of hydrolytic enzymes. These hydrolases, such as cathepsin D and heparanase, are involved in many steps of tumor progression like angiogenesis. This thesis is a part of a project that aims to develop a "smart" molecular nano-object that specifically reacts to hyper-secreted enzymes in the tumor microenvironment for the simultaneous detection and targeting of tumor. The first part of our work concerned the design and the validation of a peptide that is sensitive to active forms of cathepsin D which is a protease, unregulated in many tumors microenvironment such as breast cancers. This objective has been achieved following the kinetic study of the hydrolysis of 5 peptides by mature cathepsin D and procathepsin D in the pH conditions of the tumor microenvironment. On the other hand, we studied the effect of hypoxia and the acidification of the extracellular medium on the secretion of active forms of cathepsin D by the breast cancer cell line MCF-7. In a second part, we worked on the development of low molecular weight heparins that may provide therapeutic function of the molecular object through their anti-angiogenic activity. We have developed an innovative method for the depolymerization of heparin that consists on a radical hydrogen peroxide hydrolysis assisted by ultrasound. This technique allows the production of heparins oligosaccharides characterized by controlled molecular weight and degree of sulfatation. Depending on the depolymerization conditions by this technique, the produced low molecular weight heparins can be used as an anticoagulant or anti-angiogenic.

Breast cancer is a global public health problem since it is the most frequently diagnosed cancer in women in Western countries. Clinical guidelines for breast cancer prognosis/diagnosis are currently based on tumour size, histological type and grade, lymph node status as well as the expression of various cellular receptors. Yet, current predictions remain unsatisfactory to identify the best treatment for the individual patient. The search for identifying new predictive and prognostic factors is ongoing. Furthermore, compelling evidences have solidified the notion that the evolving epithelial cells, founders of the breast disease, are helped in their malignant course by the tumour microenvironment. Better characterizing the dual effect of the immune regulation but also the epithelial-stromal cross-talk on both tumour-promotion and -suppression is essential for understanding patient uniqueness and their implication in disease outcome. Because of its potential to probe tissues and cells at the molecular level without requirement for extrinsic contrast agents, infrared spectroscopy was seen as an attractive tool for clinical and diagnostic analysis in order to complement the existing methods. <p>In a first step, recording and processing methodology had to be defined in order to optimally compare IR spectra. The methodology developed and the analysis tools tested on carcinoma cell lines, demonstrated that spectra could be distinguished based on the cell line phenotypic nature. <p>The potential of IR imaging for breast tissular structure differentiation was highlighted in this thesis, demonstrating that spectral signature can be correlated with the major histological cell types observed in breast disease tissues. In order to develop a robust algorithm translating spectral data into helpful histopathological information, a spectral database of histologically well-defined breast tissues was built and used for the development of a cell type classifier. This latter one was extensively validated on independent clinical cases. Firstly, the IR-based histopathological classifier correctly assigned spectra acquired on eleven breast disease samples based on their histological nature. Secondly, lymphocyte and Collagen & Fibroblasts spectral signatures were demonstrated to be independent from tissue type and organ since, although trained on reference spectra recorded into breast disease samples, the cell type classifier correctly assigned spectra acquired on lymph nodes/tonsils and scar tissues respectively. Thirdly, we concluded that spectroscopically, breast carcinoma cell lines in culture are well-suited tumour models since spectra acquired on these carcinoma cell lines were correctly recognized as epithelium by the IR-based histological classifier. <p>By spectral characterizing lymphocytes from lymph nodes and tonsils, we demonstrated that the spectra acquired contained enough information to statistically discriminate them according to their lymphocyte activation states. Although considered as activated, the breast disease lymphoid infiltrates were found to present distinct spectral signature from lymphocytes acquired on activated lymph nodes and tonsils. Furthermore, tumour microenvironment, characterized by IR-imaging was demonstrated to exhibit a distinct spectral signature from wound healing tissues. These studies proved the uniqueness of the signature of both lymphoid infiltrate and tumour microenvironment in breast disease context. Correlating these specific spectral signatures to patient outcome and therapeutics response could help better consider the uniqueness of the patient. In a last step, considering the epithelial signature of carcinomas of both low and high grades, we demonstrated that the biochemical information reflected in the IR micro-spectra was clinically relevant for grading purpose.<p><p> <p><p>Le cancer du sein est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les femmes dans les pays occidentaux. Jusqu’à peu, les cellules épithéliales tumorales étaient vues comme les seuls acteurs de la carcinogenèse ;processus se déroulant dans un milieu extracellulaire considéré au pire comme passif ou permissif à l’évolution tumorale des cellules épithéliales adjacentes. Cependant, de nombreuses études ont montré que ce microenvironnement tumoral pouvait soit promouvoir le processus de carcinogenèse soit le combattre empêchant par la même, l’occurrence de la maladie. <p>Ce projet de thèse s’inscrit dans une problématique actuelle, à savoir une meilleure compréhension de la maladie mais également une prise en charge plus individualisée des patientes. Nous abordons ici une voie de recherche novatrice basée sur la signature globale des molécules cellulaires via leur spectre infrarouge. La technologie utilisée, à savoir la spectroscopie infrarouge, nous fournit une observation quantitative et qualitative de milliers de vibrations moléculaires. L’adaptation de réseaux de plusieurs milliers de détecteurs indépendants aux microscopes infrarouges permet, grâce aux méthodes statistiques multivariées, d’investiguer l’architecture macromoléculaire des cellules au sein d’une coupe tissulaire et de corréler les informations spectrales ainsi obtenues à l’histopathologie des tissus. Par cette technologie, nous visons à mettre au point un outil diagnostique et pronostique pour le cancer du sein basé sur l’imagerie IR. <p>Durant ce projet, nous avons montré que les différents types cellulaires observés dans les carcinomes mammaires pouvaient être distingués par le biais de leur spectre IR, qu’un modèle de reconnaissance histologique pouvait être construit, validé et surtout automatisé et que ce modèle pouvait être transposé à l’étude d’autres tissus (ganglions, amygdales et cicatrices) et d’autres types d’échantillons (cellules épithéliales en culture). Nous avons également montré que les spectres de cellules épithéliales pouvaient être corrélés au grade histopathologique de la tumeur. Les spectres acquis de ganglions/amygdales ont montré que les profils spectraux pouvaient être corrélés à l’état d’activation lymphocytaire. De plus, l’étude de l’état d’activation lymphocytaire et fibroblastique a permis de mettre en avant un profil spectral propre et bien distinct des infiltrats lymphocytaires d’une part et de la matrice extracellulaire aux abords des tumeurs invasives d’autre part. <p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les glioblastomes sont des tumeurs primaires du cerveau les plus malignes. L’identification des cellules souches cancéreuses de glioblastome (CSGs) a transformé notre vision globale des glioblastomes en révélant une hiérarchie cellulaire au sein de ces tumeurs. Les CSGs sont douées de propriétés d’auto-renouvellement, de différenciation et peuvent entrer en quiescence. Elles sont considérées comme les cellules entretenant les tumeurs, responsables de leur dissémination et des rechutes après traitement. La découverte des CSGs a conduit à un changement de paradigme dans le développement des thérapies anticancéreuses, avec la nécessité de cibler dans le traitement non seulement les cellules de la masse tumorale, mais aussi les CSGs. Un criblage différentiel de la chimiothèque Prestwick réalisé au laboratoire a permis d’identifier le bisacodyl comme une molécule présentant une cytotoxicité spécifique sur les CSGs en quiescence.Cette thèse présente un travail sur la caractérisation des CSGs, la compréhension du mode d’action du bisacodyl, ainsi que l’évaluation de son potentiel thérapeutique sur un modèle 3D in intro et des modèles in vivo. / Glioblastomas are the most malignant primary brain tumors. The identification of glioblastoma stemcells (GSCs) has transformed our comprehension of those tumors by revealing a hierarchical organization. GSCs can self-renew, differentiate and enter into a quiescent state. They are considered as cells which fuel and as the main culprits of tumor relapse. The discovery of GSCs triggered a change in paradigm for cancer therapy. Indeed to gain in efficacy, therapies need to target, not only the cells forming the bulk of the tumor, but also GSCs particularly resistant and endowed with a high tumorigenic potential. Chemical screening of the Prestwick chemical library in our laboratory, unveiled bisacodyl with a specific activity on quiescent GSCs.This thesis presents work on the characterization of GSCs, study of the mode of action of bisacodyl on GSCs, as well as a preclinical evaluation of bisacodyl on a 3D model in vitro and animal models in vivo.

La spectroscopie UV-Vis résolue en temps a été appliquée à l'étude de différents systèmes moléculaires dont la photophysique est contrôlée par leur interaction avec l’environnement, mais aussi comme outil pour révéler des interactions moléculaires ou des dynamiques structurelles à des échelles de temps comparativement lentes (sec à min.), en utilisant la microfluidique de gouttes pour déclencher une relaxation structurale par des conditions initiales hors équilibre. J'ai appliqué cette approche selon trois axes allant de 1) l'étude approfondie des propriétés émissives des biosenseurs afin de permettre leur utilisation quantitative dans les études d'interactions biomoléculaires, à 2) le développement d'une approche expérimentale originale pour permettre la résolution la cinétique de relaxation structurelle d'une répartition hors équilibre des structures biomoléculaires, et enfin 3) l'application aux biotechnologies à haut débit de la fluorescence résolue en temps pour des analyses d'interactions biomoléculaires précises et rapides, pertinente à la fois pour les domaines académiques et industriels. / In the context of the present thesis, UV-Vis time-resolved spectroscopy was applied targeting the photophysics investigation of different environmentally sensitive molecular systems, but also as a biosensing approach to reveal molecular interactions or structural dynamics on much slower time scales (sec to min), using droplet microfluidics triggering structural relaxation through out-of-equilibrium initial conditions. I thus investigated on a three-axis-target spanning from 1) the in-depth investigation of the emissive properties of biosensors in order to allow their quantitative use in biomolecular interaction studies, to 2) the development of an original experimental approach to enable resolving the structural relaxation kinetics of an out-of-equilibrium distribution of biomolecular structures, and finally 3) the technological application of time resolved fluorescence for precise, rapid, cost effective, biomolecular interaction assays, appealing both for academic and industrial arenas.

Les Formes réactives de l’oxygène (FRO) ont un rôle bien établi dans l’oncogénèse en augmentant les capacités de prolifération et d’invasion des cellules tumorales. Mais les FRO exercent aussi un effet important sur le microenvironnement tumoral, en particulier en participant à l’échappement des tumeurs au système immunitaire. Une modulation pharmacologique de l’équilibre oxydo-réductif tumoral est donc susceptible d’influencer la progression tumorale. Il a été montré que l’induction pharmacologique d’un stress oxydant dans les cellules tumorales peut induire un effet cytotoxique mais ses effets sur le microenvironnement sont moins bien connus. L’objectif de nos travaux était d’étudier l’effet d’une modulation du stress oxydant sur les cellules immunitaires du microenvironnement tumoral et in fine de préciser les conséquences potentielles sur la progression tumorale. L’arsenic trioxyde (As2O3), inducteur de FRO, présentait à faible dose, dénuée d’effet cytotoxique direct sur les cellules malignes, un effet antitumoral dans un modèle de cancer colique murin. Cet effet était lié à une déplétion sélective en lymphocytes T régulateurs (Tregs) et était médié par la génération d’anions superoxyde (O2°-) et de monoxyde d’azote (NO), eux même responsables de la formation de peroxynitrite. Les Tregs présentaient un niveau basal de FRO plus élevé que les autres populations lymphocytaires, qui pourrait expliquer leur plus grande sensibilité à un surcroît de stress oxydant induit par l’As2O3. Un cytotoxique antitumoral, la vinorelbine, s’est également montré capable d’exercer un effet sur le microenvironnement tumoral. Par co-cultures, nous avons montré que la vinorelbine induisait un effet bystander toxique sur les cellules immunitaires effectrices voisines des cellules tumorales. In vivo, le prétraitement par vinorelbine de cellules malignes implantées à la souris était responsable d’une perte de la réactivité anti-tumorale des cellules mono-nuclées. Cet effet était dépendant de la production d’O2°- et de NO par les cellules malignes. Un modulateur du stress oxydant, le mangafodipir, inhibait cet effet, permettant ainsi de restaurer la réponse immunitaire antitumorale locale. Notre travail a donc permis de mettre en évidence que des modulateurs du stress oxydant peuvent agir sur le microenvironnement, et spécialement sur les cellules immunitaires. Ils pourraient être utilisés en clinique pour restaurer la réponse immunitaire antitumorale. Une meilleure compréhension du rôle du stress oxydant dans la défaillance de l’immunité antitumorale est nécessaire. / Several reports have demonstrated the involvement of reactive oxygen species (ROS) in carcinogenesis, through promotion of cancer cell proliferation and invasion. But ROS could also have consequences on non cancerous cells which are part of the tumor microenvironment, such as immune cells. Therefore, a pharmacological modulation of oxidative stress can induce a cytotoxic effect on tumor cells but its consequences on microenvironment are unknown. The aim of our studies was to evaluate the effects of a pharmacological modulation of oxidative stress on immune cells from the tumor microenvironment. At low dose, Arsenic trioxide (As203), an oxidative stress modulator, was shown to exert antitumor effects in colon tumor-bearing mice. We observed that this effect was related to As203-induced regulatory T cells (Tregs) -selective depletion in vitro and in vivo and was mediated by oxidative and nitrosative bursts. The differential effect of As203 on Tregs versus other CD4 cells was related to difference in the cells’redox status. We also observed that vinorelbine, an anticancer agent, could interfere with the antitumor immune response. We showed that vinorelbine could alter the function of immune cells surrounding tumor cells by a bystander toxic effect against tumor effector cells. In vivo experiment in A549 tumor bearing nude mice showed that adoptive transfer of A549 immune splenocytes was not able to delay tumor growth when vinorelbine-pretreated A549 cells were used for immunization. This effect was mediated by ROS and was inhibited by an oxidative stress modulator, mangafodipir, which restored antitumor immune function. Therefore, our work showed that oxidative stress modulators can influence tumor microenvironment and more specifically, immune cells. They could be used to restore antitumor immune response.

Prostate cancer (PC) is the most common cancer in Sweden. Most patients have slow growing tumors that will not cause them any harm within their lifetime, but some have aggressive tumors and will die from their disease. The ability of current clinical practice to predict tumor behavior and disease outcome is limited leading to both over- and undertreatment of PC patients. The men who die from their disease are those that develop metastases. It is therefore of great value to find better and more sensitive prognostic techniques, so that metastatic spread can be detected (or predicted) at an early time point, and so that appropriate treatment can be offered to each subgroup of patients. The aim of this thesis was to investigate if, and by what means, highly aggressive prostate tumors influence extratumoral tissues such as the non-malignant parts of the prostate and regional lymph nodes (LN), and also if any of our findings could be of prognostic importance. Gene- and protein expression analysis were the main methods used to address these questions. Our research group has previously introduced the expression Tumor Instructed (Indicating) Normal Tissue (TINT), and we use the term TINT-changes when referring to alterations in non-malignant tissue due to the growth of a tumor nearby or elsewhere in the body. In the Dunning rat PC-model we found that MatLyLu (MLL)-tumors, having a high metastatic ability, caused pre-metastatic TINT-changes that differ from those caused by AT1-tumors who have low metastatic ability. Prostate-TINT surrounding MLL-tumors had elevated immune cell infiltration, and gene ontology enrichment analysis suggested that biological functions promoting tumor growth and metastasis were activated in MLL- while inhibited in AT1-prostate-TINT. In the regional LNs we found signs of impaired antigen presentation, and decreased quantity of T cells in the MLL-model. One of the downregulated genes in the MLL-LNs was Siglec1 (also known as Cd169), expressed by LN resident macrophages that are important for antigen presentation. When examining metastasis-free LN tissue from PC patients we found CD169 expression to be a prognostic factor for PC-specific survival, and reduced expression was linked to an increased risk of PC-specific death. Some of our findings in prostate- and LN-TINT could be seen already when the tumors were very small suggesting that differences in TINT-changes between tumors with different metastatic capability can be detected early in tumor progression. However, before coming of use in the clinic more research is needed to better define a suitable panel of prognostic TINT-factors as well as the right time window of when to use them. / Populärvetenskaplig sammanfattning Prostatacancer är den i särklass vanligaste cancerformen hos män i Sverige. De flesta patienter har en mycket långsamt växande tumör som inte orsakar dem några större besvär under deras livstid, men enbart i Sverige dör ca 2500 patienter/år av sjukdomen. Det är först vid uppkomst av metastaser som sjukdomen blir dödlig. Befintliga diagnos- och prognosmetoder är otillräckliga när det gäller att uppskatta och förutse tumörens aggressivitet och risk för att bilda metastaser. Detta gör att vissa patienter inte får tillräcklig behandling eller behandlas försent medan andra behandlas i onödan. Behovet av förbättrad diagnostik är därför stort. Om vi kan hitta markörer för potentiellt metastaserande sjukdom, och i bästa fall också behandla innan metastaser uppstår, skulle det förbättra chansen för överlevnad markant. För att kunna växa och spridas behöver en tumör inte bara förbereda närliggande vävnader utan förmodligen hela kroppen. Vår hypotes är att potentiell dödliga tumörer sannolikt är bättre på detta än mer ofarliga. Man vet från studier av andra cancerformer att farliga tumörer orsakar förändringar i det organ dit cancern senare sprids. Dessa förändringar sker för att de tumörceller som senare anländer ska kunna överleva, och processen har fått namnet pre-metastatisk nisch. Bl.a. har man sett att immunsystemet hämmas och nybildning av kärl ökar. Det är vanligt att metastaser uppstår i närliggande lymfkörtlar innan uppkomst av metastaser i andra organ. Dock är väldigt lite känt om pre-metastatiska förändringar i lymfkörtlar eftersom den forskning som hittills är gjord främst har tittat på andra organ. Inom prostatacancer finns det förvånande få studier av premetastatiska nischer överhuvudtaget, och man vet därför inte om de alls förekommer eller vilka förändringar som i så fall sker. Vår grupp har tidigare myntat uttrycket TINT som står för Tumor Instructed (Indicating) Normal Tissue (TINT är ett engelskt verb som betyder färga) och syftar på förändringar i normal vävnad som inducerats av tumören, dvs. att tumörer färgar av sig på omgivningen. Det kan vara förändringar i normal vävnad nära tumören, som i det här fallet resten av prostatan, eller i vävnad långt ifrån tumören som till exempel regionala lymfkörtlar, lungor och benmärg. Syftet med det här avhandlingsarbetet var att undersöka TINT-förändringar inducerade av aggressiv cancer och se om dessa skiljer sig från TINT-förändringar inducerade av mindre farliga tumörer, samt att utvärdera om någon TINT-förändring skulle kunna användas för att prognostisera vilka patienter som har hög risk att få metastaser. Vi har använt oss av en prostatacancer-modell i råtta där vi analyserat genoch proteinuttryck i pre-metastatiska regionala lymfkörtlar, tumörer och prostata-TINT (dvs. prostatavävnad utanför tumören). TINT-förändringar inducerade av MatLyLu (MLL), en tumör med hög metastaserande förmåga, jämfördes mot TINT-förändringar inducerade av AT1, en snabbväxande tumör men med låg förmåga att bilda metastaser. Vi kunde vi se flera skillnader mellan modellerna. Genuttrycket i MLL-prostata-TINT indikerade en aktivering av cellulära funktioner som visat sig stimulera tumörväxt och spridning såsom celldelning, viabilitet, migration, invasion, och angiogenes (nybildning av kärl). I AT1-prostata-TINT var genuttrycket kopplat till samma funktioner men verkade istället inhibera dessa. Genom att titta på vävnaderna i mikroskop kunde vi se att MLL-tumörer rekryterade färre T-celler (som har en viktig funktion i immunsvaret mot tumören), men istället fler makrofager och granulocyter till både tumören och prostata-TINT (dessa typer av immunceller har visats kunna hjälpa tumörer att växa och sprida sig). MLL-tumörer hade också fler blodkärl och lymfkärl strax utanför tumören. I de regionala lymfkörtlarna från djur med MLL-tumörer visade genuttrycket tecken på försämrad antigenpresentation, samt immunhämning och/eller induktion av immuntolerans. Immuntolerans innebär att immuncellen inte längre reagerar mot det specifika antigen den blivit tolerant emot. Detta är vanligt förekommande hos individer med cancer och är ett sätt för tumören att undkomma immunförsvaret. I vävnadsprover av lymfkörtlarna kunde vi se färre antigenpresenterande celler, och liksom i tumörerna fanns det färre T-celler i MLL-modellen, något vi kunde se redan när tumörerna var väldigt små. CD169 är ett protein som bl.a. uttrycks av sinus-makrofager i lymfkörtlar. Dessa makrofager har en central funktion i att aktivera ett tumör-specifikt immunsvar. I råttmodellen kunde vi se att regionala lymfkörtlar från djur med MLL-tumörer hade lägre nivåer av CD169 än regionala lymfkörtlar från djur med AT1-tumörer, och då antalet sinus-makrofager visat sig ha prognostiskt värde i t.ex. tjocktarmscancer, ville vi se om det kunde vara så även i prostatacancer. Därför kvantifierade vi uttrycket av CD169 i metastasfria regionala lymfkörtlar från prostatacancerpatienter och såg att låga nivåer av CD169 medförde en ökad risk för att dö i prostatacancer. Sammantaget tyder resultaten på att MLL-tumören jämfört med AT1- tumören bättre lyckas förbereda omgivande vävnad för att gynna tumörväxt och spridning, både lokalt i prostatan men också längre bort från tumören i de regionala lymfkörtlarna. Våra fynd stämmer väl överens med aktuell tumörbiologisk forskning om hur tumörer påverkar sin omgivning. Något som inte visats tidigare är att miljön utanför tumören verkar skilja sig drastiskt beroende på tumörens metastaserande förmåga, samt att dessa skillnader går att se relativt tidigt under sjukdomsförloppet och förmodligen även långt bort från tumören. Vi har också visat att särskilt aggressiv prostatacancer verkar inducera en pre-metastatisk nisch i tumördränerande lymfkörtlar likt det som beskrivits i andra modellsystem och i andra cancertyper, men hittills inte i prostatacancer. Fler studier behövs för att bättre karaktärisera de förändringar som en potentiellt dödlig prostatacancer orsakar i andra vävnader, och för att ta reda på hur denna kunskap kan användas för att förbättra diagnostik och behandling.