Développement d’un système de culture in vitro 3D et microfluidique pour étudier les interactions tumeur-stroma et la résistance aux drogues de l’adénocarcinome du pancréas

Development of a 3D in vitro microfluidic culture system to study tumor-stroma interactions and drug resistance of pancreatic adenocarcinoma

• Auteur / Autrice : Frédérick de Miollis
• Direction : Vincent Senez, Isabelle Van Seuningen, Stéphanie Descroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 28/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d’Électronique- de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) - UMR 8520 / IEMN - Hétérogénéité, plasticité et résistance aux thérapies des cancers (CANTHER)
• Jury : Président / Présidente : Fabrizio Cleri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Senez, Isabelle Van Seuningen, Julie Guillermet-Guibert, Xavier Gidrol, Zied Souguir, Nathalie Maubon, Teru Okitsu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Guillermet-Guibert, Stéphanie Descroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrice extracellulaire

Cellules -- Interaction

Microfluidique

Micro-environnement tumoral

Résistance aux médicaments

Cancer

Pancréas

Mots clés libres

Modèles cellulaires

Organes sur puce

Microfluidic

Pancreatic cancer

Organ on a chip

Microenvironment

Tumor-stroma

Chemoresistance

Résumé

Le cancer du pancréas est l’un des cancers les plus mortels avec un pronostic extrêmement sombre. En 2020, le taux de survie à 5 ans reste très faible (de 3 à 9 % seulement) et la médiane de survie est de moins de 6 mois. Malgré des progrès dans la prise en charge des patients, les thérapies actuelles n’ont pas l’efficacité espérée. Ceci est dû à la forte chimiorésistance observée dans ce cancer. Le facteur clé de cette résistance est le microenvironnement tumoral complexe composé majoritairement de stroma et d’une matrice extracellulaire dense limitant l’accès des thérapies à la tumeur. Les limitations des modèles d’études actuels, notamment en termes de pertinence physiologique, sont un frein important dans la compréhension de cette chimiorésistance. En réponse à cette problématique, les chercheurs se tournent vers de nouvelles approches en développant de nouveaux modèles d’études alternatifs à ceux déjà disponibles (in vitro et in vivo).Les objectifs de ce travail ont été : (i) de développer un dispositif de culture in vitro 3D microfluidique permettant de reproduire le microenvironnement tumoral sur les plans biologique et mécanique, ainsi que de modéliser les écoulements et transports de masse présents dans une tumeur pancréatique, et (ii) d’aborder les changements morphologiques de la co-culture par l’étude de marqueurs épithélio-mésenchymateux et d’étudier l’impact de la chimiothérapie FOLFIRINOX dans ce modèle.Dans un premier temps nous avons montré numériquement et expérimentalement la faisabilité d’un tel modèle in vitro. La matrice extracellulaire choisie est une association de collagène I et d’acide hyaluronique créant une structure rigide proche des conditions in vivo. Elle permet le maintien de la culture à long terme en ne se dégradant pas ou peu sous l’effet de la perfusion ainsi que l’activation des cellules stellaires pancréatiques. La vitesse de perfusion choisie permet quant à elle d’appliquer un flux interstitiel équivalent à celui observé dans le microenvironnement in vivo, induisant une pression hydrostatique et une contrainte de cisaillement sur les cellules.Nous avons ensuite mis en évidence l’apport biologique de cette modélisation en montrant une chimiorésistance accrue au protocole FOLFIRINOX des cellules tumorales à la fois en mono- et en co-culture dans le dispositif microfluidique. Nous montrons également la mise en place d’un processus ayant des caractéristiques de la transition épithélio-mésenchymateuse et d’une possible promotion d’un phénotype dédifférencié des cellules tumorales par les cellules stellaires pancréatiques activées.En conclusion, nous présentons dans cette thèse un modèle d’étude microfluidique original permettant de modéliser une tumeur (co-culture de cellules épithéliales et mésenchymateuses) et d’étudier la cinétique d’une chimiothérapie multidrogues complexe. Ce dispositif devrait à l’avenir nous permettre d’étudier plus en profondeur les mécanismes de chimiorésistance et les interactions tumeur-stroma dans le cancer du pancréas.

Pancreatic cancer is one of the deadliest cancers with an extremely poor prognosis. In 2020, the 5-year survival rate remains very low (only 3 to 9%) and the median is less than 6 months. Despite significant progress in the patient care, current therapies do not have the expected effectiveness. This is due to the strong chemoresistance observed in this cancer. The key factor of this resistance is the complex tumor microenvironment mainly composed of stroma and a dense extracellular matrix limiting the access of therapies to the tumor. The current models’ limitations, particularly in terms of physiological relevance, are a major obstacle in understanding this chemoresistance. In response to this issue, researchers are turning to different approaches by developing brand new models that are alternatives to those already available (in vitro and in vivo).The objectives of this work were: (i) to develop an in vitro 3D microfluidic culture device allowing to reproduce the tumor microenvironment both biologically and mechanically, as well as to model the flows and mass transport present in a pancreatic tumor, and (ii) to approach the morphological changes of the co-culture by studying epithelio-mesenchymal markers and to study the impact of FOLFIRINOX chemotherapy in this model.First, we have shown numerically and experimentally the feasibility of such an in vitro model. The chosen extracellular matrix is a combination of collagen I and hyaluronic acid creating a rigid structure close to in vivo conditions. It allows long-term culture maintenance under the effect of the perfusion as well as the activation of pancreatic stellate cells. The chosen perfusion rate allows to apply an interstitial flow in the model equivalent to the one observed in the in vivo microenvironment, inducing hydrostatic pressure and shear stress on the cancerous cells.Then, we demonstrated the biological contribution of this model by showing an increased chemoresistance to the FOLFIRINOX protocol of tumor cells both in mono- and in co-culture in the microfluidic device. We also show the establishment of a process presenting characteristics of epithelial-mesenchymal transition and a possible promotion of a dedifferentiated phenotype of tumor cells by activated pancreatic stellate cells.In conclusion, we present in this thesis an original microfluidic model allowing to mimic a tumor (co-culture of epithelial and mesenchymal cells) and to study the kinetics of a complex multidrug chemotherapy. In the future, the device should allow us to further study the mechanisms of drug resistance and tumor-stroma interactions in pancreatic cancer.