Décrypter le dialogue des cellules de tumeur du sein avec leur écosystème, après radio/chimiothérapie, en utilisant des technologies de bioimpression

Decipher environment-breast cancer cell crosstalk after radio/chemotherapy using bioprinting technologies

• Auteur / Autrice : Théo Desigaux
• Direction : Jean-Christophe Fricain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interface Chimie Biologie
• Date : Soutenance le 04/04/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioingénierie tissulaire
• Jury : Président / Présidente : Julie Guillermet-Guibert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Senez, Maria Carla Parrini, Xavier Gidrol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Senez, Maria Carla Parrini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiothérapie

Fibroblastes

Génie tissulaire

Micro-environnement tumoral

Bioimpression

Cancer du sein

Mots clés libres

Bioimpression

Cancer du sein

Microenvironnement

Ingénierie tissulaire

Fibroblastes associés au cancer

Radiothérapie

Bioprinting

Breast cancer

Microenvironment

Tissue engineering

Cancer-associated fibroblasts

Radiotherapy

Résumé

Le cancer du sein est aujourd’hui la pathologie cancéreuse la plus fréquemment diagnostiquée, et la plus mortelle chez la femme. Cette mortalité est imputable aux mécanismes de résistance aux traitements, qui permettent à la tumeur de récidiver localement ou à distance en formant des métastases. Lors des soins, la radiothérapie et la chimiothérapie sont des stratégies utilisées dans la majorité des sous-types de tumeur du sein. Cependant, leur délivrance n’est pas spécifique des cellules cancéreuses, mais atteint également le microenvironnement tumoral. L’intercommunication du microenvironnement stromal, et notamment des fibroblastes associés au cancer (CAF), avec la tumeur joue un rôle dans la réponse aux traitements et reste à ce jour peu comprise. L’usage historique des modèles de culture cellulaire en 2D sur flasques, ainsi que des modèles in vivo, atteint ses limites dans le contexte de ces mécanismes. Les premiers manquent en effet d’une organisation 3D intégrée à une matrice extracellulaire, et les seconds ne peuvent pas fournir un environnement cellulaire et matriciel humain essentiel à la pertinence biologique de tels modèles. Pour répondre à ce défi, la biofabrication, et plus spécifiquement la bioimpression, ont permis de recréer ex vivo des structures tridimensionnelles structurées et cellularisées. Ces travaux de thèses visent à exploiter cette technologie dans le cadre du cancer du sein, afin de développer, caractériser et interroger un modèle bioimprimé dans le contexte de l’interaction tumeur-stroma lors du traitement par radio/chimiothérapie.Afin de répliquer la matrice extracellulaire du cancer du sein, une bioencre à base de collagène et d’acide hyaluronique a d’abord été optimisée par sa fonctionnalisation avec un peptide dérivé de la laminine, qui a induit une augmentation de la croissance tumorale tout en montrant des propriétés mécaniques adéquates pour la bioimpression. Ce processus a donc ensuite été évalué, et a démontré sa reproductibilité et sa consistance dans la création d’un modèle en forme de disque de l’ordre de 5 millimètres de diamètre, composé de deux compartiments, tumoral au centre et stromal en périphérie. La maturation des cellules cancéreuses au sein du modèle a mis en évidence l’apparition d’un cœur nécrotique et hypoxique faisant écho à la physiopathologie de la maladie. Le microenvironnement a aussi montré des signes de maturation, avec une augmentation de la complexité des réseaux microvasculaires en présence de fibroblastes, et notamment des CAF. Ce sous-type de fibroblaste a aussi montré des capacités de remodelage matriciel augmentées, avec une sécrétion importante de collagènes et de laminines. Cette modification de composition s’est en parallèle traduite par une augmentation de la rigidité de la matrice extracellulaire, en comparaison à des fibroblastes mammaires sains. Un phénomène de radioprotection a enfin pu être mis en évidence en présence des CAF, suggérant une implication dans la résistance aux traitements. Cet effet était concomitant avec une élévation du niveau de sécrétion des cytokines. Parmi celles-ci, CXCL-1, dont l’expression par le stroma est associée à un mauvais pronostic clinique, avait des niveaux d’expression significativement plus élevés dans les CAF. Cependant, l’inhibition de cette cytokine n’a pas été concluante pour radiosensibiliser le modèle bioimprimé.Dans le cadre de la compréhension du cancer du sein et de son microenvironnement, ces travaux de thèse mettent en avant un nouveau modèle fiable et pertinent vis-à-vis de la clinique. Sa flexibilité permettrait d’appliquer cette méthode à différents sous-types tumoraux, ou à des cellules primaires de patients dans le cadre de la médecine personnalisée. L’identification de l’impact du stroma sur la réponse aux traitements suggère aussi que ce modèle pourrait servir de plateforme pour tester de nouveaux traitements ciblant le microenvironnement tumoral, et notamment les CAF.

Breast cancer currently ranks as the most frequently diagnosed cancer and the deadliest among women. This mortality is often attributed to treatment resistance mechanisms, enabling the tumor to relapse locally or distantly by forming metastases. During treatment, strategies such as radiotherapy and chemotherapy are commonly employed across various breast tumor subtypes. However, their administration isn't specific solely to cancer cells but also influences the tumor microenvironment. The interplay between the stromal microenvironment, especially cancer-associated fibroblasts (CAF), and the tumor plays a crucial role in treatment response, yet it remains poorly understood to date. The historical utilization of 2D cell culture models and in vivo models has reached its limitations in comprehensively studying these mechanisms. The former lacks integrated 3D organization within an extracellular matrix, while the latter fails to provide a human cellular and matrix environment essential for the biological relevance of such models. To address this challenge, biofabrication, particularly bioprinting, has enabled the ex vivo production of structured and cellularized three-dimensional constructs. This thesis aims to leverage this technology for breast cancer research, specifically to develop, characterize, and investigate a bioprinted model in the context of tumor-stroma interaction during radio/chemotherapy.To replicate the composition of breast cancer extracellular matrix, a collagen/hyaluronic acid-based bioink was optimized by functionalizing it with a laminin-derived peptide, which induced increased tumor growth while also demonstrating suitable mechanical properties for bioprinting. Subsequently, this process was evaluated, demonstrating its reproducibility and consistency in creating a disc-shaped model approximately 5 millimeters in diameter, consisting of two compartments: a central tumor and a peripheral stromal region. The maturation of cancer cells within the model highlighted the emergence of a necrotic and hypoxic core mirroring the disease's pathophysiology. Additionally, the microenvironment exhibited signs of maturation, evidenced by the increased complexity of microvascular networks in the presence of fibroblasts, particularly CAF. This subtype of fibroblast also displayed heightened matrix remodeling capabilities, accompanied by significant secretion of collagens and laminins. This compositional shift correlated with an increase in extracellular matrix stiffness compared to healthy mammary fibroblasts. Finally, a radioprotection phenomenon was demonstrated in the presence of CAF, suggesting their involvement in treatment resistance. This effect coincided with an elevation in cytokine secretion levels. Notably, among these cytokines, CXCL-1, whose expression by the stroma is associated with poor clinical prognosis, exhibited significantly higher expression levels in CAF. However, inhibiting this cytokine did not conclusively radiosensitize the bioprinted model.In the context of understanding breast cancer and its microenvironment, this thesis underscores a novel, reliable, and clinically relevant model. Its versatility could facilitate the application of this method across different tumor subtypes or primary patient cells in the realm of personalized medicine. Moreover, the identification of stromal impact on treatment response suggests that this model could serve as a platform for testing novel treatments targeting the tumor microenvironment, particularly CAF.