Interactions des champs électro(magnétiques) avec les cellules : mécanismes et nouvelles applications thérapeutiques potentielles

Electro(magnetic) fields interactions with cells : mechanistic insights and potential new therapeutic applications

• Auteur / Autrice : Leslie Vallet
• Direction : Lluis Mir, Franck Andre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pharmacotechnie et biopharmacie
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Aspects métaboliques et systémiques de l'oncogénèse pour de nouvelles approches thérapeutiques (Villejuif, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie Frenea-Robin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodney O'Connor, Marie-Pierre Rols, Yann Percherancier, Mounir Tarek, Anne-Laure Bulteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodney O'Connor, Marie-Pierre Rols
• DOI : 10.70675/840648aaz2d82z49adz90e5zb460d6133704

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroporation

Électromagnétisme -- Effets physiologiques

Électromagnétisme

Membrane cellulaire

Cellules stromales mésenchymateuses

Différenciation cellulaire

Prolifération cellulaire

Diélectrophorèse

Mots clés libres

Electroporation

Electroperméabilisation

Mécanismes

Oscillations calciques

Différenciations des cellules souches mésenchymateuses

Prolifération

Electroporation

Electropermeabilization

Mechanisms

Calcium oscillations

Mesenchymal stem cells differentiations

Proliferation

Résumé

Au sein des organismes vivants, de nombreux processus cellulaires sont contrôlés par des champs électromagnétiques (CEM) endogènes, du niveau cellulaire (p. ex. potentiel transmembranaire) au niveau tissulaire (p. ex. potentiel transépithélial). Par conséquent, les CEM peuvent être utilisés à des fins thérapeutiques au même titre que les médicaments visant à agir sur des cibles moléculaires. Les CEM thérapeutiques peuvent reproduire des signaux spécifiques de certains CEM physiologiques dont les propriétés et fonctions sont connues. D'autre part, des CEM non physiologiques peuvent également induire des réponses cellulaires exploitables à but thérapeutique.Les champs électriques pulsés (CEP) peuvent perméabiliser les membranes cellulaires, un phénomène nommé électroporation, qui peut avoir diverses utilisations (p. ex. vectoriser des molécules chimiothérapeutiques qui ne pénètrent pas les cellules autrement, une approche thérapeutique appelée électrochimiothérapie - ECT). L'ECT est une méthode sûre, efficace et pratiquement dénuée d'effets secondaires systémiques lorsqu'elle est utilisée cliniquement sur différents types de lésions cancéreuses. Un des défis actuels dans les applications de l'ECT réside dans le traitement des tumeurs profondes. En effet, leur traitement nécessite l'utilisation d'électrodes à aiguilles pénétrantes (avec des techniques d'imagerie simultanées pour assurer un guidage précis), voire une intervention chirurgicale. D'autre part, les progrès de l'ingénierie électrique permettent aujourd'hui de générer des CEP de durée sub-nanoseconde (CEPsub-ns), suscitant un intérêt particulier du fait que ces CEP pourraient être délivrés à distance au moyen d'antennes. Les résultats obtenus dans cette thèse en utilisant des CEP de 800 ps (délivrés classiquement, avec des électrodes en contact) montrent qu'une perméabilisation cellulaire efficace (sur modèle E. coli) peut être obtenue avec un nombre d'impulsions relativement faible, à des amplitudes de champ électrique aussi basses que 10 kV/cm. Par ailleurs, au cours de ce travail, des résultats contre-intuitifs au premier abord ont été obtenus, puis validés par examen minutieux de multiples contrôles. Les différences mécanistiques entre les effets biologiques induits par les CEPsub-ns et ceux provoqués par des CEP de plus longue durée ont donc été investiguées. Les effets concomitants de la composante magnétique de ces CEP, qui n'est plus négligeable, ont été explorés théoriquement, pré-évalués expérimentalement et s'intègrent parfaitement dans des modèles mécanistiques développés par l'équipe.Une autre partie de cette thèse a porté sur l'utilisation de CEP de durée microseconde (CEPµs) pour induire une légère perméabilisation cellulaire aux ions Ca2+, déclenchant des oscillations de Ca2+ cytosolique dues à la réponse de libération du Ca2+ induite par le Ca2+. Le Ca2+ est un élément omniprésent, dont les variations spatio-temporelles en concentration dans les cellules encodent des informations importantes. Dans les cellules souches mésenchymateuses, qui ont un fort potentiel thérapeutique en raison de leurs larges capacités de différenciation, la signalisation du Ca2+ dans le cytosol en réponse à des signaux environnementaux semble se produire principalement sous la forme d'oscillations, qui sont modifiées au cours des événements de différenciation. Il a été en premier lieu nécessaire d'étudier l'évolution naturelle des oscillations calciques au long des processus de différenciation. Les résultats ont permis de complémenter l'hypothèse d'un lien entre la fréquence des oscillations calciques et la progression du cycle cellulaire, guidant la cellule vers la complétion d'un nouveau cycle cellulaire (prolifération) ou vers l'entrée en différenciation terminale. Les expériences évaluant le contrôle des oscillations calciques avec des CEPµs semblent corroborer cette hypothèse, ouvrant la voie à de futures applications biomédicales.

In living organisms, many cellular processes are controlled by endogenous electromagnetic fields (EMFs), from the cellular level (e.g. transmembrane potential) to the tissue level (e.g. transepithelial potential). Therefore, EMFs can be used for therapeutic purposes on the same basis as the use of molecule-based therapeutics to act on molecular targets. Therapeutic EMFs may aim to reproduce specific cues of physiological EMFs whose properties and functions have already been elucidated. Alternatively, EMFs that differ in their characteristics from physiological EMFs may nevertheless induce cellular responses that can be exploited for therapeutic purposes.Pulsed electric fields (PEFs) can induce the permeabilization of cell membranes, a phenomenon known as electropermeabilization, which can serve a variety of purposes (such as the vectorization of otherwise cell-impermeant chemotherapeutic drugs that can be used to selectively kill malignant cells, a therapeutic approach called electrochemotherapy - ECT). ECT has proven to be safe, effective, and with virtually no systemic side effect when clinically used on various types of malignant lesions. Today, the remaining challenges in ECT lie in the treatment of deep-seated tumors. Indeed, their treatment requires either the use of penetrating needle electrodes (with concomitant imaging techniques to ensure precise guidance) or the need to perform surgery. In another respect, advances in electrical engineering have enabled the generation and delivery of subnanosecond duration (sub-ns) PEFs, gathering a high scientific interest due to the possibility of remote delivery using antenna technologies. The results obtained in this thesis using PEFs of 800 ps (delivered classically, with electrodes in contact) show that efficient cell permeabilization (on E. coli model) can be achieved with a relatively low number of these sub-nsPEFs even at electric field amplitudes as low as 10 kV/cm. Moreover, counterintuitive results were obtained during this work. The reproducibility of the results, and the careful examination of all the possible controls validated these intriguing effects. Therefore, it has been necessary to invoke and investigate mechanistic differences in the biological effects induced by the sub-nsPEFs compared to the effects caused by PEFs of longer duration. The concomitant effects of the magnetic component of these PEFs, which is no longer negligible, have been explored theoretically and pre-evaluated experimentally, and they nicely fit in the mechanistic models developed in the team.Another part of this thesis consisted in using microsecond durations PEFs (µsPEFs) to induce a mild cell permeabilization to Ca2+ ions, subsequently triggering Ca2+ oscillations due to the Ca2+-induced-Ca2+-release response. Ca2+ is a cell ubiquitous second messenger encoding important information, with distinct spatiotemporal patterns. In mesenchymal stem cells, which have strong therapeutic potential due to their promising differentiation abilities as well as their secretory and immunomodulatory properties, cytosolic Ca2+ signaling in response to environmental cues seems to occur mainly in the form of oscillations, often referred to as spontaneous oscillations, which are modified during differentiation events. To assess whether this signaling might be “hacked” through the control of Ca2+ oscillations with µsPEFs, the patterns of calcium oscillations along differentiation processes were investigated. The results led to complement the hypothesis of a link between the frequency of Ca2+ oscillations and the cell cycle progression, guiding the cell to commit to a new cell cycle completion (proliferation) or to exit the cell cycle and enter terminal differentiation. Experiments assessing the control of Ca2+ oscillations with µsPEFs seem to corroborate this hypothesis, paving the way to future biomedical applications.