Bio-géochimie du cancer : Utilisation des nanoparticules de sélénium dans le traitement et des isotopes du cuivre dans la détection des cancers ovariens

Bio-Geochemistry of ovarian cancer : Role of selenium nanoparticles in treatment and copper isotopes in detection of ovarian cancer.

• Auteur / Autrice : Benoit Toubhans
• Direction : Laurent Charlet, Steve Conlan, Alexandra Gourlan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec University of Swansea (GB)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Claude Verdier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Vigier, Francis Lewis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philipp Rathert, David Hughes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Sélénium

Nanoparticules

Cancer -- Recherche

Organes génitaux femelles -- Cancer

Mots clés libres

Cancer

Nanoparticules

Ovaire

Selenium

Cuivre

Isotopes

Cancer

Nanoparticles

Ovary

Selenium

Copper

Isotops

Résumé

Le cancer des ovaires est le septième cancer le plus commun chez les femmes dont le taux de survie à 5 ans est en deçà de 45% et dont le taux de détection des premiers stades de développement est inférieur à 20%. Avant d’arriver à un traitement, de nombreux défis restent à relever.Le développement de nouveaux traitements ciblant spécifiquement les cellules cancéreuses en réduisant les effets secondaires liés au traitement est nécessaire. Pour cela, le Sélénium a été étudié et a démontré à forte doses d’être efficace contre les cellules cancéreuses in vitro. De plus, les essais cliniques ont montré que l’utilisation de doses tolérables de sélénium (<90µg/jour) n’avait pas d’effet thérapeutique contre le cancer. Le développement de nouvelles formes de sélénium afin d’augmenter les doses administrées est donc nécessaire afin d’atteindre l’effet thérapeutique souhaité. Au cours de cette thèse j’ai mesuré l’effet de formes agrégées de sélénium appelées nanoparticules et démontré leur capacité à inhiber la croissance de cellules cancéreuses ovariennes. Dans les lignées cellulaires cancéreuses ovariennes SKOV-3 et OVCAR-3, le traitement aux SeNPs a déclenché la mort cellulaire. La mesure des propriétés nanomécaniques de ces deux lignées cellulaires après traitement a démontré un effet différent des SeNPs en fonction du type cellulaire. Les cellules OVCAR-3 ont vu diminuer leur rugosité de surface ainsi que leur rigidité cellulaire alors que les cellules SKOV-3 ont augmenté leur rigidité et leur rugosité, ces deux caractéristiques étant liées à une diminution de leur potentiel métastatique. De plus, le traitement aux SeNPs a augmenté de manière considérable la méthylation de trois lysines de l’histone 3 H3K4, H3K27 et H3K9. Cette méthylation a pu être bloquée par l’utilisation d’inhibiteurs de méthyltransférases spécifiques de ces marqueurs. L’étude du profil d’expression des deux lignées cellulaires après traitement a démontré le fait que le sélénium induit des modifications d’expression des méthyltransférases nous permettant de suggérer un mécanisme d’action du sélénium. De plus les SeNPs ont démontré leur impact sur l’expression marqueurs cancéreux comme l’activation de la réparation de l’ADN, la réponse aux espèces réactives de l’oxygène, la réorganisation de la matrice extracellulaire. L’effet des SeNPs semble dépendant du type cellulaire cependant leur bonne tolérabilité in vivo offre de bonnes perspectives d’utilisation en tant que traitement du cancer.Enfin, dans la continuité de récentes études sur le cancer du sein le cancer colorectal s’intéressant à la mesure des isotopes du cuivre (rapport 63Cu/65Cu) et démontrant leur potentiel dans la détection du développement de ces cancers, j’ai pu mesurer le contenu isotopique de biopsies et de prélèvements sanguins issus de patientes atteintes de cancers ovariens. J’ai pu mesurer une diminution significative du rapport des isotopes du cuivre dans le sérum des patientes cancéreuses en comparaison avec des témoins sains démontrant l’efficacité de détection des cancers par la mesure des isotopes du cuivre dans le sang.

Ovarian cancer is the seventh most common cancer in women with five-year survival rates of less than 45%, and only 20% of cases are detected at early stages of the disease. Major challenges still exist to treat this lethal disease.The development of new drugs that target better cancer cells and reduce side effects is highly needed. Selenium at high doses has been shown to act as a cytotoxic agent, with potential applications in cancer treatment. However, clinical trials have failed to show any chemotherapeutic value of selenium at safe and tolerated doses (<90 g/day). To enable the successful exploitation of selenium for cancer treatment, I evaluated inorganic selenium nanoparticles (SeNP), and found them effective in inhibiting ovarian cancer cell growth. In both SKOV-3 and OVCAR-3 ovarian cancer cell lines SeNP treatment resulted in significant cytotoxicity. The two cell types displayed contrasting nanomechanical responses to SeNPs, with decreased surface roughness and membrane stiffness characteristic of OVCAR-3 cell responses. In SKOV-3, cell membrane surface roughness and stiffness increased, both are properties associated with decreased metastatic potential. Very excitingly I made the novel discovery that SeNPs dramatically increase histone methylation at three histone marks, namely H3K4, H3K27 and H3K9. This effect was partially blocked by pharmacological agents that blocked histone methyltransferase (HMT) function. Gene expression profiling of SeNP treated cells demonstrated that Se caused changes in the expression of HMTs suggesting one mechanism for its ability to alter histone methylation. Further interrogation of RNA seq data showed the SeNPs impact on the expression of genes linked to hallmarks of cancer such as DNA repair activation, ROS response, extracellular matrix organization. The beneficial effects of SeNPs on ovarian cancer cell death appear to be cell type dependent, and due to their low in vivo toxicity, offer an exciting opportunity for future cancer treatment.Finally, following on from recent studies in breast and colorectal cancer patients revealing that measurement of circulating copper isotopes (63Cu/65Cu ratio) can be related to cancer development I investigated this in clinical ovarian cancer samples (blood and tissue). A significant decrease in copper isotopic ratios in the serum of cancer donors was observed demonstrating the potential effectiveness of 63Cu/65Cu for the blood-based detection of ovarian cancer.