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The number of children and young adolescents diagnosed with cancer is increasing, leading to a need for new therapeutic strategies with diminished neurodegenerative side- effects. This report presents preliminary observations on glioma-initiating cells (GICs) in the way to develop a strategy that induces cell-cycle arrest or quiescence in neural stem cells (NSCs). To test how changes in membrane potential due to pharmacological treatments have effects on localization and levels of REV-ERBα protein, proneural (PN) and mesenchymal (MES) cells were treated with varying concentrations of REV-ERBα agonist SR9009 drug and T-type calcium channel blocker mibefradil. Treatments showed that both drugs do not relocalize REV-ERBα to the nucleus. However, SR9009 decreases the levels of REV-ERBα protein, whereas mibefradil does not have a similar effect.  Our preliminary data on mouse NSCs showed they engage with REV-ERBα protein while going into contact inhibition. Therefore, we investigated whether high confluency put PN and MES GICs into quiescence and the role of the main molecular clock protein REV-ERBα in this process. Cells were grown up to certain confluency, and following qPCR gene expression analysis revealed PN cells go into contact inhibition whereas MES cells continue proliferating even after they are grown to confluency. Moreover, REV-ERBα protein does not have any role in both outcomes.

Regulation of cancer cell phenotype by the tumor microenvironment has motivated further investigation into how microenvironmental factors could contribute to tumor initiation, development, and therapeutic resistance. Analyzing how the microenvironment drives tumor development and cancer cell heterogeneity is particularly important in cancers such as glioblastoma multiforme (GBM) that have no known risk factors and are characterized by a high degree of heterogeneity. GBM patients have a median survival of 15 months and therefore are in great need of more effective therapeutic options. The goal of this research is to generate in vitro models of the heterogeneous brain tumor microenvironment, with a focus on vascular dynamics, to probe the impact of microenvironmental cues on tumor progression and to integrate the tumor models with highly sensitive analytical tools to characterize the epigenome of discrete phenotypic subpopulations that contribute to intratumoral cellular heterogeneity. As GBM tumors are characterized by a dense vasculature, we delved into microenvironmental factors that may be promoting angiogenesis. The correlations emerging between inflammation and cancer led to analysis of the inflammatory molecule lipopolysaccharide (LPS). We utilized 3D micro-tissue models to simulate vascular exposure to ultra-low chronic inflammatory levels of LPS and observed an increase in vascular formation when brain endothelial cells were exposed to ultra-low doses of LPS. We also utilized our micro-tissue models to analyze histone methylation changes across the epigenome in response to microenvironmental cues, namely culture dimensionality and oxygen status. The H3K4me3 modification we analyzed is associated with increased gene transcription, therefore the alterations we observed in H3K4me3 binding across the genome could be a mechanism by which the tumor microenvironment is regulating cancer cell phenotype. Lastly, we developed a microfluidic platform in which vascular dynamics along with microenvironmental heterogeneities can be modeled in a more physiologically relevant context. We believe the studies presented in this dissertation provide insight into how vasculature primed by chronic inflammation and epigenetic alterations in tumor cells could both contribute to enhanced tumor development. Modeling these biological processes in our advanced microfluidic platform further enables us to better understand microenvironmental regulation of tumor progression, uncovering new potential therapeutic targets. / PHD / Regulation of cancer cell behavior by the tumor microenvironment, which includes the surrounding extracellular matrix, native healthy cells, and signaling molecules, has motivated further investigation into how microenvironmental factors could contribute to tumor initiation, development, and therapeutic resistance. Analyzing how the microenvironment drives tumor development and heterogeneity in cancer cell behavior is particularly important in cancers such as glioblastoma multiforme (GBM) that have no known risk factors and are characterized by a high degree of heterogeneity. GBM patients have a median survival of 15 months and therefore are in great need of more effective therapeutic options. The goal of this research is to generate models of the heterogeneous brain tumor microenvironment with a focus on how microenvironmental cues impact blood vessel development, which facilitates tumor progression. We will also use these tumor models, along with sensitive analytical tools, to characterize epigenetic modifications that potentially contribute to tumor cell heterogeneity. As GBM tumors are characterized by a dense vasculature, we delved into microenvironmental factors that may promote blood vessel growth. The correlations emerging between inflammation and cancer led to analysis of the inflammatory molecule lipopolysaccharide (LPS). We utilized 3D tumor models to simulate blood vessel exposure to ultra-low chronic inflammatory levels of LPS and observed an increase in blood vessel formation when brain endothelial cells were exposed to ultra-low doses of LPS. We also utilized our tissue models to analyze histone methylation changes across the epigenome in response to microenvironmental cues, namely culture dimensionality and oxygen status. The histone methylation changes we observed across the genome could be a mechanism by which the tumor microenvironment is regulating cancer cell v behavior. Lastly, we developed a microfluidic platform in which blood vessel development along with microenvironmental heterogeneities can be modeled in a more physiologically relevant context. We believe the studies presented in this dissertation provide insight into how blood vessel exposure to chronic inflammatory factors and epigenetic alterations in tumor cells could both contribute to enhanced tumor development. Modeling these biological processes in our advanced microfluidic platform further enables us to better understand microenvironmental regulation of tumor progression, uncovering new potential therapeutic targets.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Cette thèse de doctorat fait l'étude de la progression tumorale et des interactions entre la tumeur et son environnement. Plus précisément, l'attention a été portée sur le rôle des macrophages et sur l'impact d'un anti-inflammatoire dans la croissance des cellules gliomales, ainsi que sur les fonctions de molécules solubles retrouvées dans la tumeur comme l'angiopoietine 2 et macrophage migration inhibitory factor. Le système immunitaire permet de protéger le corps contre différentes menaces comme les infections bactériennes, la transformation cellulaire par les virus et les mutations cellulaires pouvant causer des tumeurs. Les cellules immunitaires sont rapidement recrutées au site tumoral où elles peuvent jouer différents rôles tout dépendant de leur phénotype et du type de cancer. Les macrophages, qui sont les cellules immunitaires les plus nombreuses dans la tumeur, ont souvent été considérés comme des promoteurs de la croissance tumorale. Cependant, l'impact de ces cellules dans la progression des glioblastomes, un cancer agressif du cerveau, était mal compris avant la réalisation de nos travaux. L'objectif principal des travaux était donc de comprendre le rôle de l'infiltration des macrophages dans un glioblastome murin. Dans un second temps, nous avons étudié l'impact d'un anti-inflammatoire (dexaméthasone) et d'une molécule angiogénique (angiopoietine 2) sur la progression des glioblastomes. Finalement, nous avons tenté de comprendre l'utilité d'une molécule sécrétée (macrophage migration inhibitory factor) par les cellules gliomales en déterminant ses effets sur le recrutement des cellules immunitaires et, par le fait même, sur la croissance tumorale. Ces travaux ont permis de mettre en lumière les fonctions antitumorales des macrophages dans un glioblastome, les effets de la dexaméthasone et de l'angiopoietine 2 sur la vasculature tumorale et finalement l'absence d'impact lors d'une inhibition de la synthèse protéique de macrophage migration inhibitory factor dans la croissance des cellules tumorales. En conclusion, les travaux réalisés dans cette thèse permettent de mieux comprendre le rôle des cellules immunitaires recrutées au site tumoral, un domaine toujours nébuleux et rempli de controverses.

Le glioblastome multiforme (GBM) représente la tumeur cérébrale primaire la plus agressive et la plus vascularisée chez l’adulte. La survie médiane après le diagnostic est de moins d’un an en l’absence de traitement. Malheureusement, 90% des patients traités avec de la radiothérapie après la résection chirurgicale d’un GBM développent une récidive tumorale. Récemment, le traitement des GBM avec radiothérapie et témozolomide, un agent reconnu pour ses propriétés antiangiogéniques, a permis de prolonger la survie médiane à 14,6 mois. Des efforts sont déployés pour identifier des substances naturelles capables d’inhiber, de retarder ou de renverser le processus de carcinogenèse. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), un polyphénol retrouvé dans le thé vert, est reconnu pour ses propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques. L’EGCG pourrait sensibiliser les cellules tumorales cérébrales et les cellules endothéliales dérivées des tumeurs aux traitements conventionnels. Le chapitre II décrit la première partie de ce projet de doctorat. Nous avons tenté de déterminer si l’EGCG pourrait sensibiliser la réponse des GBM à l’irradiation (IR) et si des marqueurs moléculaires spécifiques sont impliqués. Nous avons documenté que les cellules U-87 étaient relativement radiorésistantes et que Survivin, une protéine inhibitrice de l’apoptose, pourrait être impliquée dans la radiorésistance des GBM. Aussi, nous avons démontré que le pré-traitement des cellules U-87 avec de l’EGCG pourrait annuler l’effet cytoprotecteur d’une surexpression de Survivin et potentialiser l’effet cytoréducteur de l’IR. Au chapitre III, nous avons caractérisé l’impact de l’IR sur la survie de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales humaines (HBMEC) et nous avons déterminé si l’EGCG pouvait optimiser cet effet. Bien que les traitements individuels avec l’EGCG et l’IR diminuaient la survie des HBMEC, le traitement combiné diminuait de façon synergique la survie cellulaire. Nous avons documenté que le traitement combiné augmentait la mort cellulaire, plus spécifiquement la nécrose. Au chapitre IV, nous avons investigué l’impact de l’IR sur les fonctions angiogéniques des HBMEC résistantes à l’IR, notamment la prolifération cellulaire, la migration cellulaire en présence de facteurs de croissance dérivés des tumeurs cérébrales, et la capacité de tubulogenèse. La voie de signalisation des Rho a aussi été étudiée en relation avec les propriétés angiogéniques des HBMEC radiorésistantes. Nos données suggèrent que l’IR altère significativement les propriétés angiogéniques des HBMEC. La réponse aux facteurs importants pour la croissance tumorale et l’angiogenèse ainsi que la tubulogenèse sont atténuées dans ces cellules. En conclusion, ce projet de doctorat confirme les propriétés cytoréductrices de l’IR sur les gliomes malins et propose un nouveau mécanisme pour expliquer la radiorésistance des GBM. Ce projet documente pour la première fois l’effet cytotoxique de l’IR sur les HBMEC. Aussi, ce projet reconnaît l’existence de HBMEC radiorésistantes et caractérise leurs fonctions angiogéniques altérées. La combinaison de molécules naturelles anticancéreuses et antiangiogéniques telles que l’EGCG avec de la radiothérapie pourrait améliorer l’effet de l’IR sur les cellules tumorales et sur les cellules endothéliales associées, possiblement en augmentant la mort cellulaire. Cette thèse supporte l’intégration de nutriments avec propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques dans le traitement des gliomes malins pour sensibiliser les cellules tumorales et endothéliales aux traitements conventionnels. / Glioblastoma multiform (GBM) represents the most aggressive and vascularised primary cerebral neoplasm in adults. Median length of survival without further therapy is usually less than one year from the time of diagnosis. Unfortunately, 90% of patients receiving radiotherapy following GBM resection develop a tumor recurrence. More recently, treatment of GBM with combined radiotherapy and temozolomide, an agent recognized for its antiangiogenic activity, increased the median survival to 14,6 months. Efforts have been oriented towards identifying naturally occurring substances capable of inhibiting, delaying or reversing the multi-stage carcinogenesis process. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), a green tea polyphenol, has been recognized for its anticancerous and antiangiogenic property. EGCG may represent a potential agent capable of sensitizing brain tumor cells and their derived endothelial cells (ECs) to conventional treatments. In chapter II, the first part of this doctorate project aimed at determining if EGCG, in synergy with radiotherapy, can sensitize GBM’s response to radiation and whether specific molecular markers are involved. We documented that U-87 cells were relatively radioresistant and that Survivin, an inhibitor of apoptosis protein, may be involved in GBM’s radioresistance. We also found that pre-treatment of U-87 cells with EGCG could overcome the cytoprotective effect of Survivin overexpression and potentiate the cytoreductive effect of irradiation (IR). In chapter III, we characterized the impact of IR on human brain microvascular endothelial cell (HBMEC) survival and determined whether EGCG, could optimize this effect. We found that although EGCG treatment and IR individually decreased HBMEC survival, the combined treatment synergistically reduced survival. We documented that the combined treatment increased cell death, more specifically necrosis. In chapter IV, we investigated the impact of IR exposure on the angiogenic functions i.e. cell proliferation, cell migration in response to brain tumor-derived growth factors, and capacity for tubulogenesis of surviving human brain tumor-derived ECs. The Rho signalling pathway was also investigated in relation to the functional properties of radioresistant HBMEC. Our data suggests that IR significantly alters radioresistant HBMEC migration response to tumor-secreted growth factors and tubulogenesis. Response to growth factors important for tumor expansion and angiogenesis is significantly attenuated in these cells. In conclusion, this doctorate project confirmed IR’s cytoreductive properties on malignant gliomas. We proposed a novel mechanism to explain GBMs’ radioresistance. This project documented for the first time IR’s cytotoxic effect in HBMEC. It also described the existence of radioresistant HBMEC and characterized their altered angiogenic functions. The combination of natural anticancerous and antiangiogenic molecules such as EGCG with radiotherapy could improve IR’s effect on human malignant glioma cells and microvascular ECs, especially through increased necrosis of HBMEC. The thesis supports integrating nutrients bearing anticancerous and antiangiogenic properties, such as EGCG, in the management of gliomas to sensitize tumor and tumor-associated ECs to conventional therapies.

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Le glioblastome multiforme (GBM) représente la tumeur cérébrale primaire la plus agressive et la plus vascularisée chez l’adulte. La survie médiane après le diagnostic est de moins d’un an en l’absence de traitement. Malheureusement, 90% des patients traités avec de la radiothérapie après la résection chirurgicale d’un GBM développent une récidive tumorale. Récemment, le traitement des GBM avec radiothérapie et témozolomide, un agent reconnu pour ses propriétés antiangiogéniques, a permis de prolonger la survie médiane à 14,6 mois. Des efforts sont déployés pour identifier des substances naturelles capables d’inhiber, de retarder ou de renverser le processus de carcinogenèse. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), un polyphénol retrouvé dans le thé vert, est reconnu pour ses propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques. L’EGCG pourrait sensibiliser les cellules tumorales cérébrales et les cellules endothéliales dérivées des tumeurs aux traitements conventionnels. Le chapitre II décrit la première partie de ce projet de doctorat. Nous avons tenté de déterminer si l’EGCG pourrait sensibiliser la réponse des GBM à l’irradiation (IR) et si des marqueurs moléculaires spécifiques sont impliqués. Nous avons documenté que les cellules U-87 étaient relativement radiorésistantes et que Survivin, une protéine inhibitrice de l’apoptose, pourrait être impliquée dans la radiorésistance des GBM. Aussi, nous avons démontré que le pré-traitement des cellules U-87 avec de l’EGCG pourrait annuler l’effet cytoprotecteur d’une surexpression de Survivin et potentialiser l’effet cytoréducteur de l’IR. Au chapitre III, nous avons caractérisé l’impact de l’IR sur la survie de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales humaines (HBMEC) et nous avons déterminé si l’EGCG pouvait optimiser cet effet. Bien que les traitements individuels avec l’EGCG et l’IR diminuaient la survie des HBMEC, le traitement combiné diminuait de façon synergique la survie cellulaire. Nous avons documenté que le traitement combiné augmentait la mort cellulaire, plus spécifiquement la nécrose. Au chapitre IV, nous avons investigué l’impact de l’IR sur les fonctions angiogéniques des HBMEC résistantes à l’IR, notamment la prolifération cellulaire, la migration cellulaire en présence de facteurs de croissance dérivés des tumeurs cérébrales, et la capacité de tubulogenèse. La voie de signalisation des Rho a aussi été étudiée en relation avec les propriétés angiogéniques des HBMEC radiorésistantes. Nos données suggèrent que l’IR altère significativement les propriétés angiogéniques des HBMEC. La réponse aux facteurs importants pour la croissance tumorale et l’angiogenèse ainsi que la tubulogenèse sont atténuées dans ces cellules. En conclusion, ce projet de doctorat confirme les propriétés cytoréductrices de l’IR sur les gliomes malins et propose un nouveau mécanisme pour expliquer la radiorésistance des GBM. Ce projet documente pour la première fois l’effet cytotoxique de l’IR sur les HBMEC. Aussi, ce projet reconnaît l’existence de HBMEC radiorésistantes et caractérise leurs fonctions angiogéniques altérées. La combinaison de molécules naturelles anticancéreuses et antiangiogéniques telles que l’EGCG avec de la radiothérapie pourrait améliorer l’effet de l’IR sur les cellules tumorales et sur les cellules endothéliales associées, possiblement en augmentant la mort cellulaire. Cette thèse supporte l’intégration de nutriments avec propriétés anticancéreuses et antiangiogéniques dans le traitement des gliomes malins pour sensibiliser les cellules tumorales et endothéliales aux traitements conventionnels. / Glioblastoma multiform (GBM) represents the most aggressive and vascularised primary cerebral neoplasm in adults. Median length of survival without further therapy is usually less than one year from the time of diagnosis. Unfortunately, 90% of patients receiving radiotherapy following GBM resection develop a tumor recurrence. More recently, treatment of GBM with combined radiotherapy and temozolomide, an agent recognized for its antiangiogenic activity, increased the median survival to 14,6 months. Efforts have been oriented towards identifying naturally occurring substances capable of inhibiting, delaying or reversing the multi-stage carcinogenesis process. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), a green tea polyphenol, has been recognized for its anticancerous and antiangiogenic property. EGCG may represent a potential agent capable of sensitizing brain tumor cells and their derived endothelial cells (ECs) to conventional treatments. In chapter II, the first part of this doctorate project aimed at determining if EGCG, in synergy with radiotherapy, can sensitize GBM’s response to radiation and whether specific molecular markers are involved. We documented that U-87 cells were relatively radioresistant and that Survivin, an inhibitor of apoptosis protein, may be involved in GBM’s radioresistance. We also found that pre-treatment of U-87 cells with EGCG could overcome the cytoprotective effect of Survivin overexpression and potentiate the cytoreductive effect of irradiation (IR). In chapter III, we characterized the impact of IR on human brain microvascular endothelial cell (HBMEC) survival and determined whether EGCG, could optimize this effect. We found that although EGCG treatment and IR individually decreased HBMEC survival, the combined treatment synergistically reduced survival. We documented that the combined treatment increased cell death, more specifically necrosis. In chapter IV, we investigated the impact of IR exposure on the angiogenic functions i.e. cell proliferation, cell migration in response to brain tumor-derived growth factors, and capacity for tubulogenesis of surviving human brain tumor-derived ECs. The Rho signalling pathway was also investigated in relation to the functional properties of radioresistant HBMEC. Our data suggests that IR significantly alters radioresistant HBMEC migration response to tumor-secreted growth factors and tubulogenesis. Response to growth factors important for tumor expansion and angiogenesis is significantly attenuated in these cells. In conclusion, this doctorate project confirmed IR’s cytoreductive properties on malignant gliomas. We proposed a novel mechanism to explain GBMs’ radioresistance. This project documented for the first time IR’s cytotoxic effect in HBMEC. It also described the existence of radioresistant HBMEC and characterized their altered angiogenic functions. The combination of natural anticancerous and antiangiogenic molecules such as EGCG with radiotherapy could improve IR’s effect on human malignant glioma cells and microvascular ECs, especially through increased necrosis of HBMEC. The thesis supports integrating nutrients bearing anticancerous and antiangiogenic properties, such as EGCG, in the management of gliomas to sensitize tumor and tumor-associated ECs to conventional therapies.

Le glioblastome multiforme (GBM) est une tumeur de grade IV représentant 49% de toutes les tumeurs cérébrales. Malgré des modalités de traitement agressives (radiothérapie, chimiothérapie et résection chirurgicale), le pronostic est mauvais avec une survie globale médiane de 12 à 14 mois. Les aractéristiques issues de la neuro imagerie des GBM peuvent fournir de nouvelles opportunités pour la classification, le pronostic et le développement de nouvelles thérapies ciblées pour faire progresser la pratique clinique. Cette thèse se concentre sur le développement de modèles pronostiques exploitant des caractéristiques de radiomique extraites des images multimodales IRM (T1 pré- et post-contraste, T2 et FLAIR). Le contexte méthodologique proposé consiste à i) recaler tous les volumes multimodaux IRM disponibles et en segmenter un volume tumoral unique, ii) extraire des caractéristiques radiomiques et iii) construire et valider les modèles pronostiques par l’utilisation d’algorithmes d’apprentissage automatique exploitant des cohortes cliniques multicentriques de patients. Le coeur des méthodes développées est fondé sur l’extraction de radiomiques (incluant des paramètres d’intensité, de forme et de textures) pour construire des modèles pronostiques à l’aide de deux algorithmes d’apprentissage, les machines à vecteurs de support (support vector machines, SVM) et les forêts aléatoires (random forest, RF), comparées dans leur capacité à sélectionner et combiner les caractéristiques optimales. Les bénéfices et l’impact de plusieurs étapes de pré-traitement des images IRM (re-échantillonnage spatial des voxels, normalisation, segmentation et discrétisation des intensités) pour une extraction de métriques fiables ont été évalués. De plus les caractéristiques radiomiques ont été standardisées en participant à l’initiative internationale de standardisation multicentrique des radiomiques. La précision obtenue sur le jeu de test indépendant avec les deux algorithmes d’apprentissage SVM et RF, en fonction des modalités utilisées et du nombre de caractéristiques combinées atteignait 77 à 83% en exploitant toutes les radiomiques disponibles sans prendre en compte leur fiabilité intrinsèque, et 77 à 87% en n’utilisant que les métriques identifiées comme fiables.Dans cette thèse, un contexte méthodologique a été proposé, développé et validé, qui permet la construction de modèles pronostiques dans le cadre des GBM et de l’imagerie multimodale IRM exploitée par des algorithmes d’apprentissage automatique. Les travaux futurs pourront s’intéresser à l’ajout à ces modèles des informations contextuelles et génétiques. D’un point de vue algorithmique, l’exploitation de nouvelles techniques d’apprentissage profond est aussi prometteuse. / Glioblastoma multiforme (GBM) is a WHO grade IV tumor that represents 49% of ail brain tumours. Despite aggressive treatment modalities (radiotherapy, chemotherapy and surgical resections) the prognosis is poor, as médian overall survival (OS) is 12-14 months. GBM’s neuroimaging (non-invasive) features can provide opportunities for subclassification, prognostication, and the development of targeted therapies that could advance the clinical practice. This thesis focuses on developing a prognostic model based on multimodal MRI-derived (Tl pre- and post-contrast, T2 and FLAIR) radiomics in GBM. The proposed methodological framework consists in i) registering the available 3D multimodal MR images andsegmenting the tumor volume, ii) extracting radiomics iii) building and validating a prognostic model using machine learning algorithms applied to multicentric clinical cohorts of patients. The core component of the framework rely on extracting radiomics (including intensity, shape and textural metrics) and building prognostic models using two different machine learning algorithms (Support Vector Machine (SVM) and Random Forest (RF)) that were compared by selecting, ranking and combining optimal features. The potential benefits and respective impact of several MRI pre-processing steps (spatial resampling of the voxels, intensities quantization and normalization, segmentation) for reliable extraction of radiomics was thoroughly assessed. Moreover, the standardization of the radiomics features among methodological teams was done by contributing to “Multicentre Initiative for Standardisation of Radiomics”. The accuracy obtained on the independent test dataset using SVM and RF reached upto 83%- 77% when combining ail available features and upto 87%-77% when using only reliable features previously identified as robust, depending on number of features and modality. In this thesis, I developed a framework for developing a compréhensive prognostic model for patients with GBM from multimodal MRI-derived “radiomics and machine learning”. The future work will consists in building a unified prognostic model exploiting other contextual data such as genomics. In case of new algorithm development we look forward to develop the Ensemble models and deep learning-based techniques.