Ciblage actif de cancers résistants par des nanoparticules multifonctionnelles : synthèse et évaluation biologique

Targeting resistant cancer using multifunctional nanoparticles: synthesis and biological evaluation

• Auteur / Autrice : Killian Laguerre
• Direction : Ruxandra Gref
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Nanomédecine et Biophotonique (Nanobio)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Trastuzumab

Polymère

Nanomedicine

Cancer résistant

Ciblage actif

Resistant cancer

Targeting

Trastuzumab

Nanomedicine

Polymer

Résumé

Au cours des dernières décennies, une meilleure compréhension des bases moléculaires du cancer a conduit au développement de plusieurs thérapies ciblées conduisant à une augmentation considérable de la survie des patients. L'anticorps thérapeutique monoclonal Trastuzumab peut être considéré comme l'une des premières et des plus réussies thérapies ciblées découvertes pour le traitement du cancer du sein métastatique. Le Trastuzumab se lie et limite l'activation du récepteur 2 du facteur de croissance épidermique humain (HER-2), qui est un proto-oncogène impliqué dans la régulation de la croissance et de la survie des cellules. En effet, la surexpression de HER-2 dans les carcinomes du sein est synonyme d'un pronostic vital défavorable. Le Trastuzumab et en général les thérapies ciblées HER-2 ont grandement amélioré les résultats cliniques, devenant ainsi les traitements de référence pour les patientes atteintes d'un cancer du sein métastatique HER-2 positif. Cependant, les carcinomes du sein ne sont pas les seuls cancers surexprimant HER-2, par exemple les cancers de la prostate et du pancréas surexpriment également ce récepteur, et en général les cancers HER2 positifs se caractérisent par un risque élevé de métastases et une survie globale réduite en raison d'une rechute. En effet, l'émergence de résistances aux traitements reste un des sujets le plus complexe à surmonter. Dans ce projet de doctorat, nous envisageons de développer de nouvelles stratégies de ciblage de médicaments pour vaincre la résistance au cancer. Le ciblage des médicaments sera réalisé au moyen de ligands spécifiques dont les récepteurs sont surexprimés dans la cellule cible et par le ciblage du cancer HER-2 positif. En effet, le Trastuzumab est susceptible de conduire à une accumulation spécifique des médicaments dans la tumeur. En bref, ce programme de doctorat suivra une approche à « double tranchant », en combinant des médicaments anticancéreux tels que la Gemcitabine et les propriétés de ciblage du Trastuzumab au sein d'un même nanovecteur : des nanoparticules hybrides poreuses de type cœur-coquille. Nous envisageons une approche originale pour élaborer les « coquilles » polymères sur les nanoparticules hybrides, basée sur des résultats préliminaires très encourageants. Ainsi, la chimie click permettra de conférer aux « coquilles »: i) des propriétés d'ancrage spontané au niveau de la surface des vecteurs ; ii) un temps de circulation sanguine prolongé et iii) un greffage de ligand (Trastuzumab) versatile et contrôlé. Les copolymères multifonctionnels seront entièrement caractérisés, puis associés à la surface des nanoparticules chargées de médicament par une méthode « verte » (sans solvant organique, sans agent de couplage). Une attention particulière sera apportée également à la synthèse des nanoparticules, afin de contrôler leur taille et assurer leur reproductibilité. Le projet de doctorat implique en outre une série de méthodes de caractérisation physico-chimique de pointe pour déterminer la charge en médicament, la libération, la morphologie des particules, la cristallinité et la stabilité des nanomédicaments. L'évaluation de l'internalisation cellulaire (microscopie cellulaire et cytométrie en flux) des nanoparticules décorées par le Trastuzumab sera évaluée et comparée aux nanoparticules non décorées dans des lignées cellulaires cancéreuses HER-2 positives et négatives. Ensuite, une analyse complète de l'efficacité (viabilité cellulaire, analyse du cycle cellulaire et induction de l'apoptose) des nanoparticules fonctionnalisées par le trastuzumab sera évaluée et comparée à celle des nanoparticules non fonctionnalisées et aux nanoparticules vides. La communauté scientifique est désormais consciente que les modèles in vitro conventionnels (cultures cellulaires monocouches ou sphéroïdes 3D) ne permettent qu'une évaluation partielle de l'efficacité des médicaments car ces modèles sont privés de la complexité de la distribution, de l'accumulation et de la dégradation systémiques des médicaments. D'autre part, l'étude de médicaments sur des modèles animaux soulève plusieurs préoccupations éthiques, encourageant le développement de modèles alternatifs conformément aux principes des 3R de remplacement, de réduction et de raffinement dans la recherche préclinique. Dans ce projet de doctorat, l'accent sera mis sur la minimisation des expérimentations animales en mettant en œuvre un modèle de membrane chorioallantoïque de poulet (CAM) d'œufs fécondés pour l'évaluation de l'efficacité des nouveaux nanomédicaments qui seront développés. En effet, les tumeurs implantées dans ce modèle sont vascularisées, contiennent plusieurs types de cellules et présentent la matrice extracellulaire imitant ainsi parfaitement le microenvironnement tumoral. De plus, ce modèle présente la complexité des organismes vivants et représente donc une plate-forme de test idéale qui peut être utilisée comme étape intermédiaire entre l'analyse in vitro et l'évaluation in vivo. Le(la) doctorant(e) aura l'opportunité de se familiariser avec un large éventail d'instruments modernes et bénéficiera d'un accès à des plateformes de haut niveau de chimie et de biologie des deux Instituts. Dans l'ensemble, nous nous attendons à ce que le ciblage grâce au Trastuzumab puisse accroitre l'internalisation des nanovecteurs chargés de médicament dans les cellules cancéreuses surexprimant HER2 en augmentant de cette manière l'activité anticancéreuse du médicament.

Over the last decades, the better understanding of the molecular basis of cancer disease resulted in the development of several targeted therapies responsible for the considerable increase in patient survival. The monoclonal therapeutic antibody Trastuzumab can be considered among the first and most successful targeted therapies ever discovered for the treatment of metastatic breast cancer. Trastuzumab binds and limits the activation to the Human epidermal growth factor receptor 2 (HER-2) which is a proto-oncogene involved in the regulation of cell growth and survival. Indeed, HER-2 overexpression in breast carcinomas carries an adverse prognosis and confers shortened progression-free survival. Trastuzumab and in general the HER-2 targeted therapies greatly improved the clinical outcomes thus becoming the gold standard treatments for patients with metastatic HER-2 positive breast cancer. It was discovered that many cancers (breast, prostate, pancreatic, etc) overexpressing HER-2 are characterized by a high risk of metastasis and a reduced overall survival because of relapse. In fact, the emergence of resistance to treatments remains the most complex subject to overcome. In this PhD project, we aim at developing new drug targeting strategies to overcome cancer resistance. Drug targeting will be achieved by means of specific ligands whose receptors are overexpressed in the targeted cell and by the targeting of HER-2 positive cancer, Trastuzumab can improve the tumor-specific accumulation of the drugs. In a nutshell, a double-edge sword approach is planned in this PhD program, by combining anticancer drugs such as Gemcitabine and the Trastuzumab targeting properties within the same nanocarrier: porous hybrid core-shell nanoparticles. The Trastuzumab-based polymeric shells on the hybrid nanoparticles will be engineered following an original “green chemistry” approach Click chemistry will allow to endow the shells with: i) spontaneous core-anchoring properties; ii) long blood circulation times and iii) modulable Trastuzumab grafting. The functionalized copolymers will be fully characterized, then coated onto the drug-loaded nanoparticles by a “green” (organic solvent-free) procedure. The PhD project further involves a series of physicochemical characterization methods to determine drug loading, release, particle morphology, crystallinity and stability. Biological investigations will involve in vitro and in vivo evaluations. Evaluation of the cellular internalization (cellular microscopy and flow cytometry) of nanoparticles decorated by Trastuzumab will be assessed and compared to undecorated nanoparticles in HER-2-positive and –negative cancer cell lines. Then, a comprehensive analysis of the efficacy (cell viability, cell cycle analysis and induction of apoptosis) of the Trastuzumab-functionalized nanoparticles will be assessed and compared to unfunctionalized nanoparticles and empty nanoparticles. The scientific community is now aware that conventional in vitro models (monolayer cell cultures or 3D spheroids) allow only a partial assessment of the efficacy of drugs as these models are deprived of the complexity of systemic distribution, accumulation, and degradation of drugs. On the other hand, direct drug screening on animal models rises several ethical concerns, which encourage developing alternative models in accordance with the 3Rs principles of Replacement, Reduction and Refinement in preclinical research. In this PhD project, an accent will be put on minimizing animal experiments by implementing a chicken chorioallantoic membrane (CAM) of fertilized eggs model for the evaluation of the efficacy of engineered double-edge sword nanomedicines. Indeed, the tumors implanted in this model are vascularized; contain multiple cell types and present the extracellular matrix thus mimicking perfectly the tumor microenvironment. Moreover, this model presents the complexity of living organisms and therefore represents an ideal test platform which can be used as an intermediate step between in vitro analysis and in vivo evaluation. The PhD candidate will have the opportunity to get familiarized with a large set of modern instruments and will benefit from access to chemistry and biological platforms. Overall, we are expecting that the Tmab-mediated targeting will promote the internalization of drug-loaded nanoMOFs within the HER2 overexpressing cancer cells and therefore increase the anticancer activity of the drug.