Thesis by TARDOSKI Sophie
Treatment of bone metastases with a bisphosphonate and low intensity ultrasound
Defended on 28 september 2015
Bone metastases are common complications of advanced breast cancer. In a clinical approach, they induce fractures, hypercalcemia and pain that are life threatening. They also increase morbidity of patients and alter their quality of life. Among available treatments, bisphosphonates (BPs) stop the progression of osteolysis by acting on osteoclasts. However, BPs do not affect the tumor burden located inside the bone marrow cavity. Antitumoral effects have already been shown but with high doses incompatibles with a clinical use because of their nephrotoxicity. BPs bind also avidly to bone mineral which limits their bioavailability and reduce their antitumoral potential in vivo. This work is incorporated within the framework of the enhancement of antitumoral effects of BPs. BPs were combined with low intensity ultrasound (LIUS), which are known to induce a mechanical stimulation as well as a slight increase of temperature without involving cavitationnal effect. Initially, LIUS were found to increase the penetration of BPs inside several mammary tumor cell lines without affecting their viability. Clathrin-mediated endocytosis was found to be one pathway involved in that process. Then, using a breast cancer bone metastases mouse model, the effect of the association between LIUS and BPs was evaluated. A daily repeated treatment of LIUS associated with a single and clinical dose of BPs lead to a decrease in osteolysis as well as tumor burden. The accumulation of unprenylated Rap1A form was found in bone marrow of mice that received this combined treatment suggesting that LIUS promote BPs penetration inside cells of the bone cavity. The experiment was repeated using a fluorescent BP that enable us to follow the repartition of BPs fixed to bones after US treatment. LIUS trigger the release of BPs from the bone into the bloodstream. Based on that result, the effect of BPs and LIUS was evaluated in a subcutaneous mammary tumor xenograft. Tumor growth was slowed during the first days of LIUS treatment. Angiogenesis and tumor cell proliferation were found to be decreased to support this data. Tumor growth was then stronger. Finally, a study was performed using doxorubicin and BPs leading to a better penetration of both compounds when LIUS were used. This last result allows increasing the field of application of LIUS for breast cancer treatment. In conclusion, this work showed that LIUS are an interesting method to enhance the penetration of drugs inside bone and mammary tumors leading to an increase of their antitumoral activity.
Traitement des métastases osseuses par association d'un bisphosphonate avec des ultrasons de faible intensité
Soutenue le 28 September 2015
Les métastases osseuses sont une complication majeure des cancers du sein. Elles sont responsables, sur le plan clinique, de complications particulières telles que : fractures, hypercalcémie et douleurs qui peuvent engager le pronostic vital ou aggraver rapidement la qualité de vie des patients. Les bisphosphonates (BPs) font partie des traitements actuels car ils bloquent la progression des lyses osseuses en agissant sur les ostéoclastes mais sans agir sur la tumeur présente au sein de la cavité osseuse. Des effets anti-tumoraux ont été mis en évidence mais à des doses importantes, néphro-toxiques et de fait, incompatibles avec un usage clinique. La forte affinité des BPs pour le minéral osseux limite considérablement leur biodisponibilité et donc amoindri leur potentiel antitumoral in vivo. Mon travail de thèse s’est inscrit dans le cadre de la potentialisation des effets anti-tumoraux des BPs. Ils ont été combinés avec des ultrasons de faible intensité (LIUS) dont le rôle est d’induire une stimulation mécanique et une augmentation modérée de la température du milieu insonifié sans effet de cavitation. Dans un premier temps, les travaux ont montré que les LIUS favorisent la pénétration des BPs au sein de plusieurs lignées tumorales mammaires, sans affecter leur viabilité. Les LIUS augmentent le phénomène d’endocytose et agissent notamment sur la voie des clathrines. Dans une seconde partie, les travaux ont démontré l’effet de cette combinaison in vivo, en utilisant un modèle murin de métastase osseuse, développé au laboratoire. Un traitement répété aux LIUS associé à une dose clinique de BPs entraine une diminution des lyses osseuses ainsi que de la masse tumorale. L’accumulation d’un marqueur, la forme non-prénylée de Rap1A, retrouvée dans les moelles des souris traitées aux LIUS, suggère que la pénétration des BPs a été favorisée sous l’effet des LIUS. L’utilisation d’un BP fluorescent a permis un suivi de la répartition du BPs et montré que les LIUS favorisaient la libération des BPs hors de l’os. L’effet de l’association BPs avec les LIUS a ensuite été évalué sur un modèle de tumeur sous-cutanée mammaire. Un ralentissement de la croissance tumorale lors des premiers jours de traitements a été mis en évidence, supporté par une diminution de la prolifération et de l’angiogenèse des cellules tumorales ainsi que par une augmentation plus marquée de la croissance tumorale. Une étude menée avec de la doxorubicine et des BPs a permis d’élargir le champ d’application des LIUS pour le traitement du cancer du sein. En conclusion, ces travaux montrent que les LIUS apparaissent comme une solution d’intérêt pour augmenter la pénétration de drogues dans des tumeurs osseuses et mammaires et augmenter leur potentiel antitumoral.
Defended on 28 september 2015
Bone metastases are common complications of advanced breast cancer. In a clinical approach, they induce fractures, hypercalcemia and pain that are life threatening. They also increase morbidity of patients and alter their quality of life. Among available treatments, bisphosphonates (BPs) stop the progression of osteolysis by acting on osteoclasts. However, BPs do not affect the tumor burden located inside the bone marrow cavity. Antitumoral effects have already been shown but with high doses incompatibles with a clinical use because of their nephrotoxicity. BPs bind also avidly to bone mineral which limits their bioavailability and reduce their antitumoral potential in vivo. This work is incorporated within the framework of the enhancement of antitumoral effects of BPs. BPs were combined with low intensity ultrasound (LIUS), which are known to induce a mechanical stimulation as well as a slight increase of temperature without involving cavitationnal effect. Initially, LIUS were found to increase the penetration of BPs inside several mammary tumor cell lines without affecting their viability. Clathrin-mediated endocytosis was found to be one pathway involved in that process. Then, using a breast cancer bone metastases mouse model, the effect of the association between LIUS and BPs was evaluated. A daily repeated treatment of LIUS associated with a single and clinical dose of BPs lead to a decrease in osteolysis as well as tumor burden. The accumulation of unprenylated Rap1A form was found in bone marrow of mice that received this combined treatment suggesting that LIUS promote BPs penetration inside cells of the bone cavity. The experiment was repeated using a fluorescent BP that enable us to follow the repartition of BPs fixed to bones after US treatment. LIUS trigger the release of BPs from the bone into the bloodstream. Based on that result, the effect of BPs and LIUS was evaluated in a subcutaneous mammary tumor xenograft. Tumor growth was slowed during the first days of LIUS treatment. Angiogenesis and tumor cell proliferation were found to be decreased to support this data. Tumor growth was then stronger. Finally, a study was performed using doxorubicin and BPs leading to a better penetration of both compounds when LIUS were used. This last result allows increasing the field of application of LIUS for breast cancer treatment. In conclusion, this work showed that LIUS are an interesting method to enhance the penetration of drugs inside bone and mammary tumors leading to an increase of their antitumoral activity.
Traitement des métastases osseuses par association d'un bisphosphonate avec des ultrasons de faible intensité
Soutenue le 28 September 2015
Les métastases osseuses sont une complication majeure des cancers du sein. Elles sont responsables, sur le plan clinique, de complications particulières telles que : fractures, hypercalcémie et douleurs qui peuvent engager le pronostic vital ou aggraver rapidement la qualité de vie des patients. Les bisphosphonates (BPs) font partie des traitements actuels car ils bloquent la progression des lyses osseuses en agissant sur les ostéoclastes mais sans agir sur la tumeur présente au sein de la cavité osseuse. Des effets anti-tumoraux ont été mis en évidence mais à des doses importantes, néphro-toxiques et de fait, incompatibles avec un usage clinique. La forte affinité des BPs pour le minéral osseux limite considérablement leur biodisponibilité et donc amoindri leur potentiel antitumoral in vivo. Mon travail de thèse s’est inscrit dans le cadre de la potentialisation des effets anti-tumoraux des BPs. Ils ont été combinés avec des ultrasons de faible intensité (LIUS) dont le rôle est d’induire une stimulation mécanique et une augmentation modérée de la température du milieu insonifié sans effet de cavitation. Dans un premier temps, les travaux ont montré que les LIUS favorisent la pénétration des BPs au sein de plusieurs lignées tumorales mammaires, sans affecter leur viabilité. Les LIUS augmentent le phénomène d’endocytose et agissent notamment sur la voie des clathrines. Dans une seconde partie, les travaux ont démontré l’effet de cette combinaison in vivo, en utilisant un modèle murin de métastase osseuse, développé au laboratoire. Un traitement répété aux LIUS associé à une dose clinique de BPs entraine une diminution des lyses osseuses ainsi que de la masse tumorale. L’accumulation d’un marqueur, la forme non-prénylée de Rap1A, retrouvée dans les moelles des souris traitées aux LIUS, suggère que la pénétration des BPs a été favorisée sous l’effet des LIUS. L’utilisation d’un BP fluorescent a permis un suivi de la répartition du BPs et montré que les LIUS favorisaient la libération des BPs hors de l’os. L’effet de l’association BPs avec les LIUS a ensuite été évalué sur un modèle de tumeur sous-cutanée mammaire. Un ralentissement de la croissance tumorale lors des premiers jours de traitements a été mis en évidence, supporté par une diminution de la prolifération et de l’angiogenèse des cellules tumorales ainsi que par une augmentation plus marquée de la croissance tumorale. Une étude menée avec de la doxorubicine et des BPs a permis d’élargir le champ d’application des LIUS pour le traitement du cancer du sein. En conclusion, ces travaux montrent que les LIUS apparaissent comme une solution d’intérêt pour augmenter la pénétration de drogues dans des tumeurs osseuses et mammaires et augmenter leur potentiel antitumoral.
