Caractérisation moléculaire et cellulaire de la réponse du tissu sain à la radiothérapie FLASH

Molecular and cellular characterization of the response of healthy tissue to FLASH radiotherapy

• Auteur / Autrice : Maxime Dubail
• Direction : Charles Fouillade, Marie Dutreix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du Cancer
• Date : Soutenance le 10/02/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cancérologie : biologie-médecine-santé (Villejuif, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Signalisation, radiobiologie et cancer (Orsay, Essonne ; 2010-....) - Signalisation, Radiobiologie et Cancer
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Boris Bardot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Constantinos Koumenis, Céline Didelot, Stéphanie Descroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Constantinos Koumenis, Céline Didelot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle cellulaire

Analyse en cellule unique

Poumon

Radiothérapie FLASH

Mots clés libres

Radiothérapie FLASH

Poumon

Cellules en cycle

Coupes organotypiques

Transcriptomique

Radiotoxicity

Lung

Lung dividing cells

Single cell RNA sequencing

PCLS

Résumé

La radiothérapie est une option thérapeutique essentielle pour environ 50 % des patients atteints de cancer, mais elle peut endommager les tissus sains environnants, entraînant des toxicités aiguës ou chroniques. Dans le poumon, les dommages induits par les radiations se manifestent par une pneumonie, qui peut évoluer vers une fibrose pulmonaire. La radiothérapie FLASH, une nouvelle modalité de traitement à ultra-hauts débits de dose, a montré qu’elle pouvait épargner les tissus sains tout en maintenant son efficacité antitumorale, effet qui a été observé dans plusieurs organes. Cependant, des défis subsistent avant une transition clinique réussie, notamment la nécessité de définir les paramètres d’irradiation optimaux et de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents du FLASH. Dans ces travaux, nous avons développé d’une part un modèle ex vivo de coupes organotypiques de poumons pour étudier l’effet d’épargne du FLASH dans la phase aigüe de réponse aux dommages radio-induits. Ce modèle nous a permis de démontrer que l’irradiation FLASH épargne les cellules en cycle dans le poumon par rapport à la radiothérapie conventionnelle. A l’aide de ce modèle, nous avons également étudié les paramètres d’irradiation optimaux pour déclencher l’effet de protection, en montrant que le débit de dose et la dose par pulse sont des facteurs cruciaux. Ensuite, nous avons apporté une première preuve clinique d’un effet protecteur de la radiothérapie FLASH sur le tissu sain humain en développant un modèle de coupes organotypiques dérivés de résection pulmonaire. Enfin, à l’aide d’analyse en cellule unique, nous avons identifié de potentiels mécanismes sous-jacents, notamment une épargne du métabolisme lipidique dans les cellules AT2, des fonctions mitochondriales dans les cellules endothéliales et finalement de premières données concernant des voies d’activation différentielle de la régénération alvéolaire dans les cellules qui cyclent via la voie MIF/Cd74. Bien que de nouvelles validations restent en cours, l’ensemble de ces travaux supporte la transition clinique du FLASH et aide à une meilleure compréhension de ces mécanismes sous-jacents survenant dans la phase de toxicité aigüe dans le poumon.

Radiotherapy is a crucial therapeutic option for approximately 50% of cancer patients, but it can damage surrounding healthy tissues, leading to acute or chronic toxicities. In the lungs, radiation-induced damage manifests as pneumonitis, which can progress to pulmonary fibrosis. FLASH radiotherapy, a new treatment modality that delivers ultra-high dose rates, has been shown to spare healthy tissues while maintaining anti- tumor efficacy, an effect observed in several organs. However, challenges remain before successful clinical implementation, including the need to define optimal irradiation parameters and better understand the underlying mechanisms of FLASH. In this work, we developed an ex vivo PCLS model to study the sparing effect in the acute phase of pulmonary radio- induced injury. Using this model, we demonstrated that FLASH irradiation spares cycling cells in the lung compared to conventional radiotherapy. We also explored the optimal irradiation parameters to trigger the protective effect, showing that dose rate and pulse dose are crucial factors. Furthermore, we provided the first clinical evidence of a FLASH radiotherapy protective effect on healthy human tissue by developing organotypic slices derived from lung resections. Finally, using scRNAseq analysis, we identified potential underlying mechanisms, including sparing effects on lipid metabolism in AT2 cells, mitochondrial function preservation in endothelial cells, and preliminary data on different activation pathways for alveolar regeneration in cycling cells via the MIF/Cd74 pathway. Although further validations are underway, these findings support the clinical transition of FLASH and contribute to a better understanding of the underlying mechanisms occurring at the acute phase of pulmonary radio-induced injury.