Stratégies nanophysiques et pharmacologiques pour moduler la rigidité tumorale, l'organisation de la matrice extracellulaire et la réponse immune dans les tumeurs solides

Nanophysical and pharmacological approaches to modulate tumor stiffness, extracellular matrix organization and immune response of solid tumors

• Auteur / Autrice : Alba Nicolas Boluda
• Direction : Florence Gazeau, Emmanuel Donnadieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies d’application médicale, diagnostiques, thérapies et santé publique
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Farge
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Farge, Corinne Bousquet, Ibane Abasolo, Susana Minguet, Nicolas Tsapis, Alain Luciani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Bousquet, Ibane Abasolo

Mots clés

Mots clés contrôlés

traitement médicamenteux

Tumeurs

Nanoparticules

méthodes

Immunothérapie

immunologie

Microenvironnement tumoral

Mots clés libres

Microenvironnement tumorale

Matrice extracellulaire

Réponse immune

Immunothérapie

Thérapie photothermique

Tumor microenvironment

Extracellular matrix

Immune infiltrate

Immunotherapy

Photothermal therapy

Résumé

Le développement de thérapies efficaces pour les tumeurs solides est aujourd'hui fortement mis à l'épreuve par l'hétérogénéité tumorale. Cette hétérogénéité est reliée à la complexité du microenvironnement tumoral (MET) composé de la matrice extracellulaire (MEC), des cellules stromales et immunitaires. Les différentes composantes du MET et leurs interactions jouent un rôle important dans la progression tumorale et la résistance aux thérapies. En particulier, la matrice extracellulaire (MEC) principalement secrétée par les fibroblastes associés au cancer, est caractérisé par une accumulation excessive et une linéarisation anormale des fibres de collagène. Cette architecture aberrante induit une rigidification de beaucoup de tumeurs solides et dresse une barrière physique bloquant la pénétration des chimiothérapies. La réponse immune au développement tumoral est elle aussi influencée par les propriétés mécaniques de la MEC, en particulier la migration des cellules T, ce qui pourrait expliquer le faible taux de réponse aux immunothérapies dans les tumeurs solides. C'est pourquoi nous faisons l'hypothèse que moduler l'organisation de la MEC et sa dureté par des méthodes physiques ou pharmacologiques pourrait permettre d'augmenter l'efficacité de la réponse immune contre les tumeurs. La première partie de cette thèse décrit différents modèles de tumeurs solides dans le but de mettre en relation la rigidité tumorale mesurée par imagerie de manière non invasive avec l'architecture de la tumeur et de son microenvironnement. Afin de modifier l'organisation de la matrice, nous proposons une approche pharmacologique basée sur l'inhibition de l'enzyme lysyl oxidase (LOX), responsable de la réticulation du collagène. Un étude multi échelle a été réalisé sur les différents modèles de tumeur solides pour évaluer l'effet de l'inhibition de LOX sur la rigidité tumorale, la structure du collagène, la croissance tumorale et la migration de cellules T. Nous montrons que l'inhibition de LOX entrainent une diminution de la rigidité de la tumeur et des modifications de l'architecture de la MEC tumorale. Ces changements sont associés à une augmentation de la motilité des lymphocytes T dans les tumeurs et la transformation d'un environnement immunosuppresseur à un environnement immunostimulateur capable de ralentir la progression tumorale. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à la thérapie photothermique (PTT) activée par illumination de nanoparticules d'oxyde de fer en tant qu'approche physique pour moduler le microenvironnement tumoral. Plusieurs types de nanostructures ont été évalués pour cibler les différents composants du microenvironnement de manière contrôlée dans le temps et dans l'espace. Nous avons montré que les nanofleurs d'oxyde de fer décorées à l'or (GIONF) permettent de cibler efficacement les fibroblastes associés au cancer dans un modèle de cholangiocacinome et que la PTT dans ce modèle conduit à une déplétion en fibroblastes, une diminution de la rigidité et une régression du volume tumoral. Par ailleurs, la PTT médiée par ces GIONF a également permis de moduler la réponse immunitaire tumorale dans un modèle de cancer du sein. Enfin, nous avons évalué comment l'auto-organisation de nanoparticules d'oxyde de fer sous forme de structures supra-cristallines plus ou moins déformables pouvait permettre d'induire et de mieux contrôler des effets locaux de l'hyperthermie à l'intérieur des cellules ou dans la matrice extracellulaire.

The development of effective therapies for solid tumors is nowadays highly challenged by tumor heterogeneity. This heterogeneity is exacerbated by the complexity of the tumor microenvironment (TME), composed of the extracellular matrix (ECM), stromal and immune cells. The different components of the TME are considered to play an important role in tumor progression and therapeutic resistance. In particular, tumor ECM which is mainly secreted by cancer associated fibroblasts (CAFs), is characterized by an excessive accumulation and linearization of collagen fibers. This aberrant architecture of collagen fibers induces tumor stiffening and confers a physical barrier that blocks chemotherapy penetration into the tumor tissue. The immune response to tumor development is also influenced by the mechanical properties of the tumor ECM, in particular T cell migration, which could explain the low response-rate of immunotherapies in solid tumors. We thus hypothesize that modulating ECM organization and tumor stiffness by nanophysical and pharmacological strategies could improve antitumor immune response and clinical outcome of cancer therapy. The first part of this thesis describes different solid tumor models in order to correlate the tumor stiffness as a non-invasive imaging biomarker to some specific architecture of the TME. We then implemented a pharmacological approach to target the tumor ECM based on the inhibition of the lysyl oxidase (LOX), an enzyme responsible for collagen I crosslinking, and assessed the consequences of LOX inhibition on tumor stiffness, collagen structure, tumor growth and T cell migration in the different tumor models. Results indicate that LOX inhibition led to a decrease in tumor stiffness and alterations in ECM architecture. These changes were associated with an increased motility of T cells in tumors and a switch from an immunosuppressive to immunostimulatory tumor environment that slows down tumor growth. The second part of this thesis focuses on nanoparticle-based photothermal therapy (PTT), as a physical approach to target the tumor ECM. A screen for suitable nanomaterials as agents for PTT was performed in order to select several iron oxide nanostructures to affect the different components of the TME with enhanced spatial and temporal control. Gold decorated iron oxide nanoflowers (GIONF) allow CAF-targeted PTT in a model of choloangiocarcinoma resulting in CAF depletion, reversion of tumor stiffening and tumor regression. GIONF-mediated PTT also allowed the modulation of the tumor immune response in a breast cancer model. Finally, we propose supracristalline self-assemblies of iron oxide nanoparticles in order to trigger well controlled local effect of nanohyperthermia and allow the modulation of PTT effects in solid tumors.