Bien que reconnu comme une étape importante vers une meilleur compréhension de l’évolution des tumeurs, de la morphogénèse des tissus et des tests hauts débits de médicaments, l’utilisation de tests cellulaires in vitro en trois dimensions est toujours limitée et ce surtout par la difficulté d’établir un protocole simple et robuste pour leur formation. Dans ce travail, nous présentons d'abord une nouvelle méthode microfluidique pour la formation des sphéroïdes multicellulaires. Cette technologie des Capsules cellulaire est basée sur l'encapsulation et la croissance des cellules à l'intérieur de micro- sphères creuses, perméable, élastiques. Deuxièmement, nous montrons que ces microcapsules servent de capteurs mécaniques pour mesurer la pression exercée par les sphéroïdes expansion. En imagerie en temps réel multi- photons, on observe en outre que le confinement induit une organisation cellulaire stratifiée, avec un noyau nécrotique, solide et dense, entouré d'un rebord de cellules périphériques hyper-mobiles, qui présentent des propriétés invasives. Troisièmement, nous avons adapté la technologie des capsules cellulaires pour former des tubes creux. Cette géométrie cylindrique nous permet d'étudier l'impact de la libération partielle de confinement (le long de l'axe du tube principal) sur la cinétique de croissance d’agrégats cellulaires pseudo-unidimensionnel (nommé cylindroids). Nos données de microscopie et l’analyse d'images suggèrent un mécanisme de croissance par pointe et la prouvent la génération d’une contrainte radiale. La combinaison des configurations sphériques et cylindriques tend vers l'image globale du confinement qui déclenche la motilité cellulaire et l'invasion par la périphérie de l'agrégat cellulaire tandis que la prolifération des cellules est inhibée dans le noyau lorsque la pression augmente. Quatrièmement, nous utilisons l’alginate comme moule pour concevoir des coquilles et tubes multicouches perméables. En particulier, une légère adaptation du protocole nous permet d'ancrer une fine couche de Matrigel (utilisé comme une membrane basale artificielle) sur la paroi interne de l'alginate. Par l'utilisation de ces capsules sphériques décorés de Matrigel, nous montrons que les monocouches sphériques fermés de cellules épithéliales, ou des kystes, peuvent être facilement conçus avec des tailles qui sont imposées par la taille des capsules. De même, les capsules tubulaires décorées de Matrigel sont utilisées pour la formation des organoïds cultivés à partir de cellules extraites des cryptes du côlon de la souris. Enfin, notre technologie offre une nouvelle voie pour produire dans les tests cellulaires in vitro utiles pour développer de nouvelles thérapies anticancéreuses ou des approches d'ingénierie tissulaire et d'étudier l'interaction entre la mécanique et de la croissance dans les agrégats cellulaires in vitro. / Although recognized as an important step towards better understanding of tumor progression, tissue morphogenesis and high throughput screening of drugs, the use of three dimensional in vitro cellular assays is still limited, especially due to the difficulty in establishing simple and robust protocols for their formation. In this work, we first present a novel microfluidics-assisted method for multicellular spheroids formation. This Cellular Capsules technology is based on the encapsulation and growth of cells inside permeable, elastic, hollow micro-spheres. Second, we show that these microcapsules serve as unique mechanical sensors to measure the pressure exerted by the expanding spheroids. By multiphoton live imaging, we additionally observe that confinement induces a layered cellular organization, with a dense, solid, necrotic core surrounded by a rim of hyper-motile peripheral cells, which exhibit enhanced invasive properties. Third, we adapt the Cellular Capsules technology to form hollow tubes. This cylindrical geometry allows us to investigate the impact of partial confinement release (along the main tube axis) on the growth kinetics of pseudo-one dimensional cellular aggregates (named cylindroids). Our microscopy data and image analyses suggest a tip-growing mechanism and evidence radial stress generation. The combination of the spherical and cylindrical configurations leads to the overall picture that confinement triggers cell motility and invasion at the periphery of the cellular aggregate while cell proliferation is inhibited in the core as pressure builds up. Fourth, we use alginate as a template to design multilayered permeable shells and tubes. In particular, slight adaptation of the protocol allows us to anchor a thin layer of Matrigel (used as an artificial basement membrane) to the alginate inner wall. Using these Matrigel-decorated spherical capsules, we show that closed spherical monolayers of epithelial cells, or cysts, can be readily engineered with sizes that are imposed by the size of the capsules. Similarly, Matrigel-decorated tubular capsules are shown to be convenient for the formation of organoids grown from cells extracted from the cypts of mouse colon. Finally, our technology offers a new avenue to produce in vitro cell-based assays useful for developing new anti-cancer therapies or tissue engineering approaches and to investigate the interplay between mechanics and growth of in vitro cellular assemblies.

Au moins 60% des patients atteints de cancer vont recevoir de la radiothérapie (RT). L’efficacité de la radiothérapie dans le traitement du cancer est limitée par le phénomène de radiorésistance des cellules cancéreuses et par la toxicité des radiations sur les tissus sains. La découverte de nouveaux agents radiosensibilisants et radioprotecteurs permettrait de surmonter ces difficultés. Les modèles cellulaires 3D tels que les sphéroïdes, émergent motivés par le besoin de modèles précliniques plus proches des tumeurs in vivo. L’objectif du projet est d’optimiser un système microfluidique pour tester facilement et à faible coût des agents thérapeutiques avec la RT sur des sphéroïdes dans un contexte de repositionnement. Le système microfluidique développé permet la formation de 336 sphéroïdes homogènes en deux jours avec intervention minimale de l’utilisateur. Les sphéroïdes sont répartis dans 16 chambres de culture séparées par un système de valve magnétique pour éviter des effets bystander entre sphéroïdes irradiés et non-irradiés. Une nouvelle technique d’irradiation a été développée permettant d’exposer un système à 4 doses de radiation différentes. En tout, 4 doses de radiation et 4 concentrations d’agents thérapeutiques peuvent être testées par système. En utilisant cette approche, l’efficacité de trois agents avec la RT a été évaluée avec des tests de survie clonogénique. Nous avons démontré que le Talazoparib, un inhibiteur de PARP, radiosensibilise les cellules de sarcome de tissus mous (STS) cultivés en sphéroïdes à 2 Gy. Le système développé permet d’évaluer le potentiel d’agents thérapeutiques avec la RT et contribue à l’adoption des sphéroïdes comme modèle préclinique. / At least 60% of cancer patients will receive radiotherapy (RT) as part of their treatment. The efficacy of radiotherapy in the treatment of cancer is limited by the phenomenon of radioresistance of cancer cells and by the toxicity of radiation on healthy tissues. The discovery of new radiosensitizers and radioprotectors is essential to overcome these challenges. 3D cellular models such as spheroids emerge motivated by the need for better preclinical models. The objective of the project was to optimize a microfluidic system for easy, fast and low-cost testing of therapeutic agents with RT on spheroids. The developed microfluidic system allows the formation of 336 homogeneous spheroids in two days with minimal user intervention. The spheroids are distributed in 16 culture chambers separated by a magnetic valve system to avoid bystander effects between irradiated and unirradiated spheroids. A new irradiation technique has been developed to expose a system with 4 different radiation doses. In total, 4 radiation doses and 4 concentrations of therapeutic agents can be tested per system. Using this approach, the efficacy of three agents with RT was evaluated with clonogenic assays. Radiosensitizing properties of Talazoparib, a PARP inhibitor, on soft tissue sarcoma (STS) cells cultured as spheroids at 2 Gy were demonstrated. The developed system enables the evaluation of therapeutic agents with RT and contributes to the wide adoption of spheroids as a preclinical model.

Le neuroblastome à haut risque est caractérisé par un faible taux de survie (~30%) et des récidives fréquentes, malgré les traitements multimodaux existants. Généralement, les études d’évaluation des médicaments utilisent la culture cellulaire en 2D, mais elle ne reflète pas la biologie tumorale du neuroblastome in situ, incluant les caractéristiques associées à l’hypoxie et la densité cellulaire. En comparaison aux patients, la culture cellulaire conventionnelle semble altérer le phénotype cellulaire du neuroblastome, le transcriptome et l’épigénome qui affecteront, à leur tour, les résultats des études pharmacologiques. Ainsi, un nouveau modèle de culture cellulaire en 3D a été développé avec plusieurs lignées cellulaires de neuroblastome afin d’atteindre une culture de sphéroïdes à long terme (un mois) avec un taux de viabilité convenable. L’hypothèse de recherche est que les changements épigénétiques et transcriptionnels seront induits par l’adaptation en 3D et vont s’amplifier dans le temps lors de la culture en 3D. Ces changements ont été mesurés en 3D dans le temps pour identifier le moment où l’épigénome des sphéroïdes ressemble le plus à celui des patient à haut risque. Le changement de l’expression des régulateurs épigénétiques survient 24 jours après la mise en sphéroïde, ce qui se traduit par une différence dans la sensibilité aux médicaments épigénétiques par rapport à la culture 2D. En conclusion, notre étude nous a permis de dériver des nouveaux modèles de neuroblastome qui sont plus représentatifs des patients d’un point de vue épigénétique et pharmacologique. / High-risk neuroblastoma is characterized by a low survival rate (~30%) and frequent recurrences, despite all the multimodal treatments available to date. Typically, drug evaluation studies use 2D cell culture which does not reflect well the tumor biology of neuroblastoma in situ, including features associated with hypoxia and cell density. Thus, compared to patients data, the conventional 2D cell culture seems to alter the neuroblastoma cell phenotype, transcriptome and epigenome which in turn will affect the results of pharmacological studies. A new 3D cell culture model was developed with several neuroblastoma cell lines to achieve long term spheroid culture (up to one month) with a suitable viability rate. We hypothesized that transcriptional and epigenetic changes will be induced by 3D adaptation and will amplify over time in the cells cultured in 3D. All these changes were measured by Western Blot in 2D, in short term 3D and in long term 3D to identify the timepoint when the epigenome of the spheroids most closely resembles that of the patient. We found that the occurrence of changes in epigenetic regulator expression occurs after 24 days of spheroid culture, resulting in a difference in a drug sensitivity compared to 2D culture. In summary, we developed new neuroblastoma models that are more representative of patient’s epigenome and pharmacological sensitivity.

L’adénocarcinome pancréatique (AP) connaît une forte augmentation d’incidence, qui en fait la quatrième cause de mortalité par cancer avec un pronostic extrêmement sombre, moins de 5% des patients étant en vie à 5 ans. De nombreuses avancées dans la compréhension de l’oncogénèse pancréatique notamment sur les aspects génétiques, immunitaires et sur les interactions cellulaires du stroma tumoral ont permis d’envisager le développement de nouvelles stratégies de traitement. Cependant malgré des résultats pré-cliniques très encourageants aucune de ces stratégies n’a encore permis l’émergence d’un traitement plus efficace que la chimiothérapie standard. Ce travail de thèse a abordé 2 approches thérapeutiques innovantes distinctes mais potentiellement complémentaires dans le traitement de l’adénocarcinome pancréatique en étudiant in vitro (cultures cellulaire 2D et 3D) et in vivo (modèles ectopiques et orthotopiques) les effets sur la croissance tumorale de l’inhibition d’un acteur important du stress oxydant (la voie Nrf2) d’une part, de la combinaison d’une chimiothérapie liposomale et d’un agent physique, la cavitation ultrasonore, d’autre part. La cavitation ultrasonore est un effet mécanique des ultrasons permettant d’augmenter l’internalisation de molécules ou de gènes dans les cellules. Dans cette thèse, la faisabilité et l'efficacité de la combinaison d’une chimiothérapie liposomale ciblée par la cavitation ultrasonore a été évaluée dans des modèles murins orthotopiques d’AP. Un système de délivrance d’ultrasons a été adapté afin d’appliquer une cavitation inertielle focalisée sur des xénogreffes d’AP créées après l'injection de doxorubicine liposomale (L-DOX) selon une étude pharmacocinétique préliminaire réalisée dans un modèle murin. La L-DOX, conçue à base de phospholipides non saturés de dioleoylphosphatidyléthanolamine, connue pour être stable dans la circulation sanguine, a été choisie afin de maximiser son accumulation et le relargage du principe actif lors de la délivrance des ultrasons. Nous montrons que l’association de la L-DOX à la cavitation inertielle permet de réduire in vivo le volume tumoral dans un modèle orthotopique d’AP chez la souris nude. La cavitation inertielle peut donc augmenter l'effet antitumoral des liposomes porteurs de chimiothérapie avec un effet mécanique minimal sur le tissu environnant la tumeur.Des études récentes suggèrent que Nrf2 est une cible de choix pour vaincre la chimiorésistance de l’AP. Des méthodes in vitro et in vivo ont été utilisées afin d’examiner l'effet du brusatol associé à des agents chimiothérapeutiques de référence sur la mort cellulaire et son impact sur le stress oxydant. Nous montrons que l’inhibition de la voie Nrf2 par le brusatol, un composé naturel issu de Fructus Bruceae, potentialise les effets de la chimiothérapie et permet l’inhibition de la croissance tumorale in vitro sur des lignées cellulaires d’AP cultivées en 2D et 3D. Cette inhibition s’accompagne d’une modulation du stress oxydant dont témoignent l’augmentation des espèces réactives de l’oxygène (ROS) et la diminution du glutathion (GSH). In vivo, la combinaison du brusatol et de l'oxaliplatine a réduit le volume tumoral dans deux modèles murins de xénogreffe d’AP. Ces résultats suggèrent l'efficacité du brusatol pour lutter contre la chimiorésistance et renforce l’hypothèse d’un rôle clinique potentiel de l’inhibition de Nrf2 comme adjuvant à la chimiothérapie dans l’AP. Un travail clinique a également été mené en parallèle sur une modalité de traitement physique innovante, la radiofréquence endobiliaire, dans la prise en charge endoscopique de l’ampullome vatérien, tumeur rare à la croisée entre le tube digestif et le système biliopancréatique. Les résultats de cette étude prospective multicentrique seront également présentés dans cette thèse. / Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) has increased in incidence over the past decade, leading it to be the fourth lethal cause of cancer in the world with a very poor prognosis, since less than 5% of patients are alive at 5 years. Many advances in the understanding of pancreatic tumorigenesis, notably on the genetic, immune and cellular stroma interactions of the tumor, have led to the development of new treatment strategies in the last decade. However, despite very encouraging pre-clinical results, none of these strategies has yet led to the emergence of a truly effective treatment in comparison with standard chemotherapy. This thesis focused on two innovative therapeutic modalities in the treatment of PDAC at a preclinical stage by studying in vitro (2D and 3D cell cultures) and in vivo (ectopic, orthotopic xenografts) the effects on the tumor growth of an inhibitor of the Nrf2 pathway (involved in oxidative stress), on the first hand, and of a physical element, ultrasound cavitation associated with liposomal chemotherapy, on the second hand. Ultrasound cavitation is a mechanical effect of ultrasound to increase the uptake of molecules or genes in cells. The feasibility and effectiveness of the combination of liposomal chemotherapy targeted by ultrasonic cavitation was evaluated in murin orthotopic models of PDAC. An ultrasound delivery system has been adapted to apply focused inertial cavitation to PDAC xenografts created after the injection of liposomal doxorubicin (L-DOX) according to a preliminary pharmacokinetic study carried out in the murine model. L-DOX, designed on unsaturated phospholipids of dioleoylphosphatidylethanolamine, was known to be stable in the bloodstream and to maximize its accumulation and release of the active drug during ultrasound delivery. This thesis shows that this therapeutic combination (L DOX and inertial cavitation) makes it possible to reduce the tumor volume in vivo in a nude mouse orthotopic model of PDAC. Inertial cavitation may be generated to increase the therapeutic effect of chemotherapybearing liposomes accumulated in the tumor with minimal mechanical effect on the surrounding tissue. Recent studies strongly suggest that Nrf2 is an ideal target against chemoresistance of PDAC. In vitro and in vivo methods were combined to examine the effect of brusatol associated with chemotherapeutic agents on cell death in addition to its impact on oxidative stress (reactive oxygen species and gluthation levels). This thesis demonstrates that the inhibition of the Nrf2 pathway via brusatol, a natural compound derived from Fructus Bruceae, potentiates the effects of chemotherapy and allows the inhibition of tumor growth in vitro on PDAC cell lines. This inhibition is accompanied by a modulation of oxidative stress by brusatol, with increasing ROS and decreasing GSH. In vivo, the combination of brusatol and oxaliplatin reduced tumor volume in two mouse models of PDAC xenograft. These results suggest the efficacy of using brusatol to combat chemoresistance and reinforce the idea that brusatol could be developed as an adjuvant to chemotherapy in PA. Clinical work was also carried out in parallel on an innovative physical treatment modality, endobiliary radiofrequency, in the management of adenoma of the ampoule of Vater, a rare tumor located between the digestive and the bilio-pancreatic systems. The results of this work will also be presented in this thesis.

Les dispositifs plasma à la pression atmosphérique (PA) produisent de nombreuses espèces actives physiques (photons, particules chargées, champ électriques etc.) et chimiques (radicaux libres, espèces réactives de l'oxygène, espèces réactives de l'azote etc.). Ces espèces connues pour leurs effets biologiques directs ou indirects font de l'utilisation des jets de plasmas froids à la PA pour des traitements biomédicaux un sujet de recherche en plein développement. La recrudescence des cas de radiorésistance et chimiorésistance chez les micro-organismes et les cellules cancéreuses impose la recherche de nouveaux modes de traitements innovants. C'est dans ce contexte général que s'inscrit les travaux présentés ici dont l'enjeu majeur est la compréhension des mécanismes d'actions des plasmas froids à la PA sur le cancer colorectal (deuxième cause de mortalité par cancer en France). Le travail de thèse présenté concerne l'utilisation d'un modèle biologique in-vitro (sphéroïde tumoraux multicellulaire du cancer du côlon HCT116) en 3 dimensions qui permet de prendre en compte des paramètres déterminants dans la prolifération tumorale. Ce modèle permet ainsi une meilleure prédiction des résultats in vivo dans l'objectif d'une étude clinique ultérieure. De plus les cinétiques de créations des espèces actives ont été étudiées dans leur globalité depuis le dispositif plasma jusqu'aux interactions intracellulaires à partir d'analyses physiques, biologiques et chimiques. Le traitement indirect par utilisation de liquides activés par jet de plasma d'hélium a été privilégié pour élaborer un traitement endoscopique du cancer colorectal. L'ensemble des travaux menés sur l'observation des interactions des liquides activés par plasma sur les sphéroïdes tumoraux multicellulaires a permis de révéler deux modes d'actions distincts. Le premier étant une génotoxicité du liquide activé induite par la présence de peroxyde d'hydrogène dont l'action induit une cassure double brin de l'ADN intracellulaire conduisant les cellules à la mort par apoptose. Une interaction directe des radicaux libres produits dans le milieu avec les composants de ce dernier (acides aminés, glucose, etc.) ainsi que la présence de nitrites et nitrates induisent également un effet antiprolifératif à long terme du milieu activé par plasma sur les tumeurs HCT116. Différentes méthodes comme la résonance paramagnétique électronique et la spectroscopie d'émission optique ont permis de révéler des voies de création possibles conduisant à la formation de ces espèces actives. Des campagnes d'essais thérapeutiques ont permis d'évaluer la capacité des liquides activés par plasma à cibler davantage les cellules cancéreuses plutôt que les cellules saines ce qui en fait une méthode de traitement sélectif particulièrement prometteuse. Le développement et la caractérisation d'un second jet de plasma d'argon a été réalisé avec l'objectif d'optimiser l'effet antiprolifératif des plasmas sur les tumeurs tout en tenant compte des contraintes imposées par l'utilisation d'un tel dispositif pour le traitement du cancer colorectal. / Plasma devices at atmospheric pressure (AP) generate many physical active species (photons, charged particles, electric field, etc.) and chemical (free radicals, reactive oxygen species, reactive nitrogen species, etc...). This species are well known for their direct or indirect biological effects thus biomedical treatment by low temperature plasma jets at AP is currently a hot research topic. The upsurge of radioresistance and chemoresistance of microorganisms and cancer cells requires the development of new biomedical treatment. In this general context, the present work is a step towards the understanding of the effect induced by low temperature plasma jets at atmospheric pressure on colorectal cancer (second leading cause of death by cancer in France). This thesis focuses on the implementation of an in vitro biological model (multicellular tumor spheroid of colorectal cancer HCT116) in 3 dimensions which allows to take into account key parameters in tumor proliferation. This model is also well suited for the prediction of in vivo results in the aim of a subsequent clinical study. Further research about kinetic reactions of active species has been studied from the plasma device up to intracellular interactions through physical, biological and chemical analyses. Indirect treatment of tumors was carried out through helium plasma jet activated liquids. This solution was chosen for its relevance for endoscopic treatment of colorectal cancer. Interaction between plasma activated liquid and multicellular tumor spheroids has shown two distinct pathways. The first one is the genotoxicity of activated medium induced by the occurrence of hydrogen peroxide which induced DNA damages once penetrated in intracellular medium and leading to cell death by apoptosis. A direct interaction between free radicals generated in liquid medium and the latter components (amino acids, glucose, etc.) associated with the occurrence of nitrites and nitrates induces a long-term antiproliferative effect of plasma activated liquid. Chemical pathways of the formation of these active species were identified by using different analysis techniques such as electron paramagnetic resonance and optical emission spectroscopy. Therapeutic analysis have also demonstrated that plasma activated liquid damage preferentially colon cancer cells rather than healthy cells making it a particularly promising selective treatment method. The design and the characterization of a second plasma jet using argon as a carrier gas was carried out with the aim to improve the antiproliferative effect of plasmas on tumors while taking into account the requirement for the use of such device for colorectal cancer treatment.