Caractérisation des effets de l’hypothermie focalisée sur le système nerveux central pour le traitement de pathologies cérébrales.

Characterization of focalized hypothermia effects on the central nervous system for brain pathologies treatment

• Auteur / Autrice : Clémentine Fulbert
• Direction : Stéphan Chabardès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 24/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Clinatec (Grenoble, Isère, France ; 2012-....) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Pernod
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphan Chabardès, Lucie Karayan-Tapon, Didier Wion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Garcion, Aurélie Tchoghandjian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cultures cellulaires

Glioblastome

Mots clés libres

Neurosciences

Dormance

Glioblastome

Cancer

Culture cellulaire

Hypothermie thérapeutique

Dispositif médical

Refroidissement localisé

Thérapie innovante

Therapeutic hypothermia

Cancer

Dormancy

Cell culture

Glioblastoma

Neurosciences

Medical device

Local cooling

Innovative therapy

Résumé

Le glioblastome est une tumeur cérébrale maligne particulièrement agressive, dont les traitements actuels consistent en une exérèse chirurgicale suivie par une combinaison de radiothérapie et de chimiothérapie. Malgré l’ensemble des traitements, les patients ont une médiane de survie de seulement 16 mois après le diagnostic. En effet, la tumeur récidive localement dans les berges d’exérèse dans les mois suivant la chirurgie, en raison de l’activation de certaines cellules tumorales résiduelles restées jusqu’ici en dormance. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons l’hypothermie thérapeutique comme thérapie adjuvante, permettant de maintenir ces cellules tumorales dans un état de dormance, et ainsi prévenir la récidive du glioblastome.Dans un premier temps, nous avons concentré nos travaux sur l’évaluation des effets de l’hypothermie sur quatre lignées cellulaires de glioblastome humain (A172, U251, U87 et T98G). Nous avons alors démontré que l’hypothermie inhibait la prolifération et la migration cellulaire, induisait un arrêt du cycle dans la phase G2/M et altérait la morphologie des cellules de glioblastome. De plus, nous avons montré que ses effets étaient prolongés au-delà du conditionnement hypothermique, avec une réduction significative de la prolifération persistante malgré un retour à 37°C. Nous avons également montré que l’hypothermie avait des effets plus uniformes que ceux de la chimiothérapie, et qu’une combinaison de ces deux traitements permettait d’inhiber davantage la prolifération des cellules tumorales. Dans un second temps, nous avons étudié les effets de l’hypothermie sur le contingent sain, avec l’utilisation d’astrocytes humains et la réalisation de cultures primaires de neurones à partir d’embryons de souris. Nous avons démontré des effets similaires à ceux observés sur les cellules tumorales, avec une inhibition de la prolifération et de la migration astrocytaire, ainsi qu’une bonne tolérance des neurones à l’hypothermie. Ensuite, nous avons réalisé une preuve de concept ex vivo avec la mise en culture de cerveaux embryonnaires et adultes de souris, dans le but d’étudier les effets de l’hypothermie sur la croissance tumorale dans un environnement complexe. Nous avons réussi à maintenir les cerveaux en culture, mais les analyses histologiques réalisées ne nous ont pas permis d’observer un effet thérapeutique significatif de l’hypothermie, et devront être complétées par d’autres études. Enfin, nous avons proposé une solution technologique, avec le développement d’un dispositif implantable de refroidissement localisé.En conclusion, nous avons démontré que l’hypothermie maintenait les cellules tumorales en dormance de manière durable, en bloquant leur prolifération sans induire de mort cellulaire. Ces travaux de thèse confirment donc l’intérêt thérapeutique de l’hypothermie dans le traitement du glioblastome et constituent une base solide pour la réalisation de futures études précliniques in vivo.

Glioblastoma is a particularly aggressive malignant brain tumor, currently treated by surgical removal followed by the combined used of radiotherapy and chemotherapy. Despite all treatments, patients have a median survival of only 16 months after diagnosis. Indeed, the tumor recurs locally in the resection margins in the months following surgery, due to the activation of residual tumor cells that were previously dormant. In this thesis, we suggest the use of therapeutic hypothermia as an adjuvant therapy to maintain residual tumor cells in a dormant state and thus prevent glioblastoma recurrence.First, we focused our work on evaluating the effects of hypothermia on four human glioblastoma cell lines (A172, U251, U87 and T98G). We demonstrated that hypothermia inhibited glioblastoma cell proliferation and migration, induced cycle arrest in the G2/M phase and altered cell morphology. In addition, we showed that its effects lasted beyond hypothermic conditioning, with a significant inhibition of proliferation despite rewarming to 37°C. We also showed that hypothermia had more consistent effects than chemotherapy, and that a combination of the two treatments further inhibited tumor cell proliferation. Then, we studied the effects of hypothermia on healthy tissue, by using human primary astrocytes and performing mouse primary neuronal cultures. We demonstrated similar effects than those observed on tumor cells, with an inhibition of astrocyte proliferation and migration, as well as good tolerance of neurons to hypothermia. Then, we performed an ex vivo proof of concept by culturing mouse embryonic brains, in order to study the effects of hypothermia on tumor growth in a complex environment. We were able to maintain the brains in culture, but the histological analyses did not show a significant therapeutic effect of hypothermia, and have to be completed by further studies. Finally, we suggested a technological solution, with the development of an implantable cooling device.Ultimately, our work showed that hypothermia keeps tumor cells dormant in a durable manner, arresting their proliferation without inducing cell death. This thesis work confirms the therapeutic interest of hypothermia in the treatment of glioblastoma, and constitutes a solid basis for future preclinical in vivo studies.