L’hadronthérapie par ions carbone représente une modalité de radiothérapie alternative très attractive du fait des propriétés physiques et biologiques de ce type de particules. Les chondrosarcomes, tumeurs radio-résistantes à différentiation cartilagineuse, sont en première ligne pour le traitement par ions carbone. Cependant, les effets secondaires sur les tissus sains environnants sont peu ou mal connus. Ce projet a pour but l’étude des effets directs des ions accélérés dans un modèle 3D de cartilage sain et pathologique proche de l’homéostasie humaine et le développement de nouveaux outils de calculs d’efficacité biologique relative (EBR). Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux séquelles radio-induites sur le cartilage articulaire dans un contexte d’hadronthérapie par ions carbone. En culture 2D physioxique (2% d’O2), l’efficacité biologique relative des ions carbone (transfert d’énergie linéique ou TEL intermédiaire) comparée aux rayons X a été évaluée à 2,6. Ceci a été corrélé à une plus forte induction de sénescence radio-induite. Cependant, cet effet différentiel n’a pas été retrouvé en utilisant un modèle 3D de cartilage articulaire. L’efficacité biologique relative des ions accélérés semble donc surévaluée, en utilisant des cultures en monocouche, par rapport à la 3D. Dans un deuxième temps, un modèle 3D de chondrosarcome a été développé pour des études d’hadronbiologie. Après plusieurs obstacles techniques, des méthodes d’extraction protéique et d’immunohistochimie ont été mises au point. Une nouvelle méthode d’évaluation de l’EBR en 3D basée sur la cinétique d’induction de la protéine γ-H2AX a été proposée. / Hadrontherapy using carbon ions has many advantages due to physical and biological properties of this type of particle. Chondrosarcoma, a cartilaginous radio-resistant tumor, has been successfully treated using carbon ions. However, potential side effects to the surrounding healthy tissues are still poorly known. This project aims to study the direct effects of carbon ions in a 3D model of healthy articular cartilage and chondrosarcoma close to human homeostasis, in order to provide new tools for the evaluation of the relative biological effectiveness (RBE).The first part of the project was dedicated to the evaluation of carbon ions-induced impact on articular cartilage in the context of chondrosarcoma treatment. Compared to X-rays, the relative biological effectiveness of intermediate-LET carbon ions scored 2.6 in 2D monolayer culture. This was correlated with a stronger induction of cellular senescence. However, this differential effect was not reproduced using a 3D model of articular cartilage. Thus, the relative biological effectiveness of accelerated ions is probably overestimated using monolayer cultures (2D), compared to 3D. In the second part of this work, we developed a 3D chondrosarcoma model for hadronbiology studies. Protein extraction and immunohistochemistry protocols were developed. A new RBE evaluation method based on γ -H2AX repair kinetic in 3D, was proposed.

La radiothérapie externe est un traitement anticancéreux locorégional efficace et curatif. Néanmoins, il y a toujours des malades qui meurent de tumeurs locales non-contrôlées. Les nouvelles techniques en radiothérapie visent toujours à trouver un moyen d'augmenter la dose à la tumeur tout en réduisant au minimum la dose aux tissus sains adjacents. Une des dernières techniques innovantes est l'hadronthérapie par ions carbone. Ces dix dernières années ont vu augmenter le nombre de nouveaux centres d hadronthérapie dans le monde avec des faisceaux d'ions carbone, forts des résultats promettant des projets pilotes Berkeley (USA), Chiba (Japon) et Darmstadt (Allemagne). Les avantages théoriques des ions carbone sont: une meilleure balistique et une meilleure efficacité dans la destruction des cellules tumorales. Ainsi cette technique a le potentiel d'augmenter le contrôle des tumeurs, particulièrement pour celles inopérables et radiorésistantes. Les effets biologiques varient le long de la trajectoire des ions de haut TEL (Transfert d'´Énergie Linéique) comme les ions carbone. Ainsi des modèles radiobiologiques sont nécessaires pour quantifier les effets biologiques. Il existe plusieurs modèles radiobiologiques qui reposent sur des approches et des approximations théoriques différentes. Ces modèles ont été développés au sein de chacune des institutions où se déroulaient les projets pilotes. Au stade actuel des connaissances, il semble peu probable d'atteindre une rapide convergence des résultats produits par ces différents modèles. Parmi les modèles radiobiologiques utilisés en clinique, il y a le Local Effect Model (LEM), développé en Allemagne et implémenté dans les systèmes de planification de traitement certifiés CE, le modèle de la National Institute of Radiological Science (NIRS), employé dans les centres japonais d'hadronthérapie possédant un système d'irradiation passif, et le Microdosimetric Kinetic Model (MKM) employé dans les centres japonais d'hadronthérapie possédant un système d'irradiation actif en mode pencil beam scanning / External beam radiotherapy (EBRT) is a therapy technique aiming at treating locoregional tumors with high efficiency. However, many tumors remain uncontrolled. Newest EBRT techniques always aim at increasing the dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Carbon-ion beam therapy is one of these promising techniques. The number of clinical centres offering carbon-ion beam radiotherapy has been increasing over the world for the last decade. This keen interest spread after very promising results from pilot projects at Berkeley (USA), Chiba (Japan) and Darmstadt (Germany). The theoretical advantages of carbon-ionsare better spatial selectivity in dose deposition and better efficiency in cell killing. They have thus the potential to increase the control of tumors, particularly for unresectable radioresistant tumors. In high linear-energy-transfer (LET) radiations, such as carbon-ion beams, biological effects vary along the ion track, hence, to quantify them, specific radiobiological models are needed. There exist several radiobiological models based on very different theoretical approaches and approximations. They were created and improved in each of the pilot institutions. At the current state of knowledge, no convergence between the model results seems to be possible in the very near future. Clinically employed radiobiological models are the Local Effect Model (LEM) developed in Germany and implemented in CE-certified treatment planning systems, the National Institute of Radiological Science (NIRS) model employed in Japanese centres with passive beam delivery systems and the microdosimetric kinetic model (MKM) in Japanese centres with active scanning beam delivery systems

Certains problèmes scientifiques et techniques, imparfaitement résolus dans la mise en œuvre des traitements par ions légers ont été étudiés. La thèse développe successivement les trois approches suivantes :<br />1) La première partie de cette thèse travaille sur la définition de l'équipement (faisceaux fixes versus gantry) pour un centre de traitement et ainsi traiter la plus large variété possible de tumeurs pour un spectre élargi de situations cliniques caractéristiques chez l'adulte. Les tumeurs étudiées sont des tumeurs de la base du crâne, du rachis cervical haut, bronchiques, ganglionnaires thoraciques, ganglionnaires abdominales et de la prostate, l'on obtient ainsi un éventail assez large d'indications thérapeutiques. <br />2) La seconde partie met à contribution une partie des outils développés dans la première phase (traitement chez l'adulte). Le même design de salle de traitement est utilisé mais pour un ensemble de tumeurs intracrâniennes de la base du crâne et de la sphère ORL chez l'enfant et l'adulte jeune. <br />Il peut être conclu que l'étude de multiples situations anatomo-pathologiques en thérapie protons n'a pas permis de dégager d'incidences faisceaulogiques originales et particulières à la gantry. <br />3) La dernière phase donne lieu à l'étude des caractéristiques physiques propres aux faisceaux d'ions carbones. Une comparaison est menée sur la base de simulations de données par l'utilisation de modèles de calcul du risque d'induction néoplasique après traitement chez l'adulte et plus spécifiquement chez l'enfant. La simulation semble indiquer que les ions carbones induiraient un phénomène de stérilisation cellulaire à doses intermédiaires & hautes dans les tissus & organes chez l'adulte et l'enfant.

Les carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou sont souvent de mauvais pronostic, en raison de leur résistance aux traitements suivie de récidives loco-régionales, voire de métastases. Ce travail s'est focalisé sur le rôle des cellules souches cancéreuses (CSC) dans la radiorésistance d'un modèle cellulaire de cancer du larynx, SQ20B, ainsi que sur leur ciblage thérapeutique en association avec la radiothérapie photonique ou par ions carbone. Une sous-population a été isolée à partir de la lignée SQ20B par tris cellulaires successifs selon 3 critères spécifiques des CSC de tumeurs ORL : exclusion du Hoechst 33342, expression de CD44 et activité élevée de l'aldéhyde déshydrogénase (ALDH). Les cellules SQ20B/SP/CD44 high/ALDHhigh présentent bien les caractéristiques de CSC (tumorisphères, tumorigénèse, radiorésistance). La résistance des CSC aux 2 types d'irradiation, par rapport aux cellules « non souche » SQ20B/SP/CD44low/ALDHlow, implique une diminution de la mort par apoptose, une augmentation des capacités prolifératives ainsi qu'une surexpression de la voie de l'autorenouvellement Bmi1. L'effet radiosensibilisant de 3 molécules ciblant les CSC a été démontré : la mort apoptotique induite par l'UCN-01 en inhibant l'arrêt en phase G2/M ; les capacités prolifératives ciblées par l'acide trans-rétinoïque (ATRA) induisant la différenciation ; et la voie de l'autorenouvellement Bmi-1 inhibée par l'artésunate. Seule ou associées (UCN-01 + ATRA), elles agissent en synergie avec une irradiation par photons ou ions carbone. Des études pré-clinique, puis clinique, devraient confirmer l'intérêt du ciblage des CSC dans le contrôle de l'échappement de ces cancers radiorésistants / Head and neck squamous cell carcinomas (HNSCC) have a poor prognosis, due to their resistance to standard treatments. In most cases, locoregional recurrence or metastases occur. This study has focused on the role of cancer stem cells (CSC) in the radioresistance of the SQ20B HNSCC cell line and their therapeutic targeting in association with photon or carbon ions irradiation. A subpopulation of SQ20B-CSC has been isolated by cell sorting based on 3 specific characteristics of HNSCC-CSC : Hoechst 33342 exclusion, CD44 expression and high aldehyde dehydrogenase activity (ALDH). SQ20B/SP/CD44high/ALDHhigh cells show the CSC characteristics (in vitro and in vivo tumorigenesis, high radioresistance). The response of CSC to both types of irradiation was compared to the non-“stem cells” SQ20B/SP/CD44low sub-population. The observed radioresistance involves a decrease in apoptotic cell death, an increase in proliferative capacities and an overexpression of the Bmi1 self-renewing signaling pathway. The radiosensitizing effects of 3 molecules targeting the CSC has been demonstrated : an induction of apoptotic cell death by the inhibition of the G2/M phase arrest after a treatment with UCN01 ; an inhibition of proliferative capacities using the all-trans-retinoic acid (ATRA) which induce their differentiation ; and an inhibition of Bmi1 by artesunate. These treatments, alone or in combination (UCN01+ATRA) have a synergistic effect with photon or carbon ion irradiation to overcome CSC radioresistance. Preclinical and clinical studies should confirm the benefit of targeting CSC and improve the control of tumor escape in patients with radioresistant HNSCC cancers

L’hadronthérapie par ions carbone est une alternative à la radiothérapie photonique dans le traitement des cancers des VADS, en raison d’une balistique précise et d’une efficacité biologique élevée, y compris au sein des zones tumorales hypoxiques. Ces cancers sont de mauvais pronostic en raison d’un risque élevé de récidives liées à la présence de cellules souches cancéreuses (CSCs). L’objectif de ce travail était de déterminer les spécificités moléculaires de la réponse aux ions carbone par rapport aux photons dans deux lignées cellulaires de cancer des VADS et leur sous-population CSCs en hypoxie et normoxie. Il s’est focalisé sur le rôle de la protéine HIF-1α dans la survie cellulaire, dans la mesure où l’hypoxie favorise sa stabilisation mais également la radiorésistance; sur la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) et la détection-réparation des cassures double-brin (CDBs) de l’ADN. HIF-1α est stabilisée plus précocement dans les CSCs par rapport aux non-CSCs. Son activation, tout comme celle des voies de l’EMT (STAT3, MEK/p38/JNK et Akt/mTOR) est dépendante des radicaux libres oxygénés (RLO), dont la production est homogène dans la cellule en réponse aux photons. Par contre, les RLO produits dans la trace des ions carbone ne permettent pas d’activer HIF-1α et les voies de l’EMT. Sous hypoxie, une relation a été établie entre l’activation d’HIF-1α et celles des voies de détection (ATM) et de réparation (Rad51) des CDBs (Recombinaison Homologue). Ces travaux démontrent que l’avantage thérapeutique des ions carbone repose sur la répartition spatiale des RLO à l’échelle nanométrique et consécutivement sur la non-activation de voies clés de la défense cellulaire tumorale / Hadrontherapy using carbon ions is an alternative to photon irradiation in the treatment of Head and Neck cancers, because of accurate ballistics and high biological efficiency, including hypoxic tumor areas. These cancers are of poor prognosis because of a high risk of recurrences related to the presence of cancer stem cells (CSCs).The aim of this work was to determine the molecular specificities of the response to carbon ion irradiations compared to photons in two cancer cell lines and their CSCs’ subpopulation, in hypoxic and normoxic conditions. This work focused on the role of the HIF-1α protein in cell survival, since hypoxia promotes its stabilization, but also in the radioresistance; the epithelial-mesenchymal transition (EMT) and the detection and repair of DNA double-strand breaks (DSBs). HIF-1α is stabilized earlier in CSCs compared to non-CSCs. Its activation, as well as the EMT pathways (STAT3, MEK/p38/JNK and Akt/mTOR), are dependent on reactive oxygen species (ROS), whose production is homogeneous in response to photons. At the opposite, the ROS produced in the carbon ion tracks are insufficient to activate HIF-1α and the upstream EMT pathways. Under hypoxic conditions, a relationship has been established between HIF-1α activation and that of the DSBs detection (ATM) and repair (Rad51) pathways (Homologous Recombination). These studies demonstrate that the therapeutic advantage of carbon ions is based on the spatial ROS distribution at the nanoscale and consequently on the non-activation of key pathways involved in tumor cell defense