Ciblage thérapeutique de l'adénocarcinome pancréatique par hyperthermie magnétique ou ablation magnéto-mécanique

Therapeutic targeting of pancreatic adenocarcinoma by magnetic hyperthermia or magneto-mechanical ablation

• Auteur / Autrice : Justine Journaux-Duclos
• Direction : Véronique Gigoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pharmacologie
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Julian Carrey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Sandre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Liagre, Damien Mertz, Florence Gazeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibroblastes associés au cancer

Adénocarcinome canalaire pancréatique

Nanoparticules magnétiques

Mots clés libres

Cancer

Hyperthermie magnétique

Ablation mécanique

Nanothérapie ciblée

Cancer

Magnetic hyperthermia

Mechanical ablation

Targeted nanotherapy

Résumé

Grâce à leurs propriétés physico-chimiques et leur biocompatibilité les nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer (SPION) offrent de nombreux avantages. Elles répondent à l'application de champs magnétiques en libérant de l'énergie thermique en réponse à l'application d'un champ magnétique alternatif à haute fréquence (AMF), ou générant des forces mécaniques exposées à des champs magnétiques rotatifs à basse fréquence (RMF). Des essais cliniques utilisant le principe de l'hyperthermie magnétique ont été menés sur le glioblastome et le cancer de la prostate en association avec de la radiothérapie. Néanmoins, le bénéfice était négligeable en raison d'effets indésirables sur les tissus sains adjacents. Or, notre équipe a précédemment montré qu'il était possible d'induire spécifiquement la mort de cellules grâce à de faibles concentrations de SPION vectorisées qui s'accumulent spécifiquement dans les lysosomes de cellules ciblées. L'application d'AMF va induire la mort des cellules-cibles par hyperthermie magnétique intra-lysosomale ciblée MILH via la production de ROS dans le lysosome selon la réaction de Fenton qui nécessite des ions Fe et peut être catalysée par un pH acide et une augmentation de la température. Cependant, l'origine des ions Fe impliqués dans la réaction de Fenton n'a pas été élucidée. Une autre stratégie a également été établie dans l'équipe ; elle repose sur l'application de champs RMF qui vont générer des forces mécaniques à partir des SPION et induire la mort des cellules par ablation mécanique intra-lysosomale ciblée. Nous avons choisi comme modèle, l'adénocarcinome pancréatique particulièrement résistant aux thérapies conventionnelles et caractérisé par la présence d'un microenvironnement important et dense. Dans ce microenvionnement, les CAF (Cancer Associated Fibroblast) jouent un rôle clef, notamment par la sécrétion de matrice extracellulaire et de molécules solubles, limitant la pénétration et l'efficacité des traitements et contribuant à l'acquisition de résistance. Les cellules cancéreuses et les CAF peuvent surexprimer le récepteur de type 2 de la cholécystokinine (RCCK2). Ce récepteur membranaire présente la propriété de s'internaliser après fixation de son agoniste spécifique : la gastrine. Afin de cibler spécifiquement ces cellules, l'équipe a développé, des SPION, fonctionnalisées, à haut pouvoir chauffant et vectorisées avec de la gastrine (NF@Gastrine). Ces nanoparticules reconnaissent spécifiquement les cellules pancréatiques humaines MiaPaca2 et de CAF exprimant le récepteur CCK2 et s'accumulent dans leurs lysosomes. L'application d'AMF (275 kHz, 30mT) ou de RMF (1 Hz, 40 mT) induit spécifiquement la mort de ces cellules par MILH ou ablation mécanique intra-lysosomale ciblée. Nous avons comparé les effets de l'hyperthermie magnétique intra-lysosomale induits par des NF@Gastrine à ceux induits par les mêmes nanoparticules recouvertes d'une coque de silice hermétique (NF@SiO2@Gastrine), empêchant la libération de fer sous l'AMF, en présence ou non de Ferristatin-II, un inhibiteur de la capture de fer par la cellule. Cette étude a permis de mettre en évidence que le fer impliqué dans la réaction de Fenton à l'origine de la production de ROS par MILH provenait du pool endogène de la cellule et non de la libération de fer par les SPION soumises à l'AMF. Nous avons ensuite mis en évidence que l'hyperthermie magnétique et l'ablation mécanique intra-lysosomales augmentent l'expression de motifs moléculaires associés aux dégâts (DAMPs) à la surface des cellules MiaPaca2 et des CAF ayant internalisées les NF@Gastrine et stimulent leur phagocytose par des macrophages. Ces deux approches, pourraient donc être deux nouvelles stratégies capables de rétablir une immunité anti tumorale dans l'adénocarcinome pancréatique. Enfin, ces deux stratégies peuvent également modifier le phénotype pro-tumoral des CAF, en inhibant leur migration, diminuant leur sécrétion de collagène.

Due to their physico-chemical properties, magnetic iron oxide nanoparticles (SPION) offer many advantages. They are biocompatible and functionalizable and therefore have already been used as a contrast agent for MRI diagnosis. They can respond to the application of magnetic fields: release thermal energy in response to the application of a high frequency alternating magnetic field (AMF), or generate mechanical forces when they are exposed to low frequency rotating magnetic fields (RMF). Clinical trials using magnetic hyperthermia mediated by SPION and AMF fields have been carried out on glioblastoma and prostate cancer in association with radiotherapy. Nevertheless, the benefit on life expectancy was negligible and adverse effects were noted on adjacent healthy tissues. But our team has previously shown that it is possible to specifically induce tumor cells and microenvironment cells death through the use of low concentrations of targeted magnetic nanoparticle that specifically accumulate in the lysosomes of the targeted cells. Then AMF fields specifically induce the death of target cells by targeted intra-lysosomal magnetic hyperthermia MILH. The mechanisms leading to the death of these cells have been characterized and show that it is initiated in the lysosomes by the generation of ROS according to the Fenton reaction which requires Fe ions and can be catalyzed by an acid pH and an increase of temperature (optimal at 40°C). However, the origin of the Fe ions involved in the Fenton reaction has not been elucidated. Another strategy was also established in the team; it is based on the application of RMF fields which will generate mechanical forces from the SPIONs and induce cell death by targeted intra-lysosomal mechanical ablation. We have chosen as a model, the pancreatic adenocarcinoma particularly resistant to conventional therapies and characterized by the presence of a large and dense microenvironment. In this microenvironment, CAFs (Cancer Associated Fibroblasts) play a key role, in particular through the secretion of extracellular matrix and soluble molecules, limiting the penetration and effectiveness of treatments and contributing to the acquisition of resistance. Cancer cells as well as CAF can overexpress the cholecystokinin receptor type 2 (RCCK2). This membrane receptor has the property of internalizing after binding of its specific agonist: the gastrin. The team has developed functionalized nanoparticles with high heating power vectorized with gastrin peptides (NF@Gastrin). These nanoparticles specifically recognize human pancreatic MiaPaca2 cells and CAFs expressing the CCK2 receptor and accumulate in their lysosomes. The application of AMF (275 kHz, 30 mT) or RMF (1 Hz, 40 mT) fields specifically induces the death of these cells by MILH or targeted intra-lysosomal mechanical ablation. First, we compared the effects of MILH induced by NF@Gastrin to those induced by the same nanoparticles covered with a hermetic silica shell (NF@SiO2@Gastrin), preventing the release of iron under the application of AMF field, in the presence or absence of Ferristatin-II, an inhibitor of iron uptake by the cell. This study demonstrate that the iron involved in the Fenton reaction at the origin of ROS production by MILH came from the endogenous pool of the cell and not from the release of iron by the iron oxide nanoparticles submitted to AMF. Then, we demonstrate that MILH and mechanical ablation increase the expression of damage-associated molecular patterns (DAMPs) on the surface of MiaPaca2 cells and CAFs having specifically internalized NF@Gastrin and stimulate their phagocytosis by macrophages. These two approaches, magnetic hyperthermia and mechanical ablation, could therefore be two new strategies to restore anti-tumor immunity in pancreatic adenocarcinoma. Finally, these two strategies can also modify the pro-tumoral phenotype of CAFs, by inhibiting their migration, decreasing their collagen secretion.