A multi-center preclinical study of gadoxetate DCE-MRI in rats as a biomarker of drug induced inhibition of liver transporter function.

UNLABELLED: Drug-induced liver injury (DILI) is a leading cause of acute liver failure and transplantation. DILI can be the result of impaired hepatobiliary transporters, with altered bile formation, flow, and subsequent cholestasis. We used gadoxetate dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI), combined with pharmacokinetic modelling, to measure hepatobiliary transporter function in vivo in rats. The sensitivity and robustness of the method was tested by evaluating the effect of a clinical dose of the antibiotic rifampicin in four different preclinical imaging centers. The mean gadoxetate uptake rate constant for the vehicle groups at all centers was 39.3 +/- 3.4 s-1 (n = 23) and 11.7 +/- 1.3 s-1 (n = 20) for the rifampicin groups. The mean gadoxetate efflux rate constant for the vehicle groups was 1.53 +/- 0.08 s-1 (n = 23) and for the rifampicin treated groups was 0.94 +/- 0.08 s-1 (n = 20). Both the uptake and excretion transporters of gadoxetate were statistically significantly inhibited by the clinical dose of rifampicin at all centers and the size of this treatment group effect was consistent across the centers. Gadoxetate is a clinically approved MRI contrast agent, so this method is readily transferable to the clinic. CONCLUSION: Rate constants of gadoxetate uptake and excretion are sensitive and robust biomarkers to detect early changes in hepatobiliary transporter function in vivo in rats prior to established biomarkers of liver toxicity

Développement de vecteurs ciblants pour la détection et la thérapie des tumeurs

A good tumor treatment relies on an early diagnosis and an efficient targeted therapy.Three theranostic tools are studied, each one having a different origin and different properties, in order to showtheir interest for tumor’s imaging and therapy.The first tool is a biologic one, human mesenchymal stem cells (MSC) having a natural tropism towardinflammatory and/or hypoxic sites, which should permit them to reach tumors.The second one is nanoparticles, functionnalized or not with an antibody targeting tumor cells, delivered by alung spray. By this method we develop a non-invasive tool to treat patients with a disseminated lung tumor.The last one is a synthetic small sized theranostic tool with a reproducible synthesis, which, after a systemicadministration, targets primary and metastatic tumor cells.By my work, I show that even if MSC are not good vectors for diagnosis and delivery of therapeutic agents tothe tumors’ sites, they normalize tumors’ vessels, improving blood flow inside the tumor. This property presentsa real therapeutic interest, by pre-treating tumors before using chemotherapy.The study of aerosolized nanovectors reveals their interest for passive tumor targeting and for an active onewhen grafted with a specific monoclonal antibody as they permit the detection of tumor nodules disseminated inthe lungs.More, the targeting agent Cetuximab acquires new properties when grafted on nanoparticles permitting todecrease tumor cells resistance to the treatment.Finally, the small synthetic molecule PoroCombo developed from our previous work on RAFT-RGD vectors,seems to be the most appropriated to deliver a molecule in the cell’s cytoplasm after a systemic administration.This molecule has three anti-tumor activities by inducing cell death, by inducing anti-angiogenic impact and bytriggering anti-tumor immune reaction.The three studied “biovectors” reveal large applications to improve tumors’ treatment.Key words:La bonne prise en charge des tumeurs repose sur un diagnostic précoce et une thérapie ciblée efficace. Nousétudions dans ce projet trois outils théranostiques, différents par leur origine et par leurs caractéristiques, afin dedémontrer leur intérêt pour l’imagerie et la thérapie des tumeurs.Le premier est un outil biologique, les cellules souches mésenchymateuses humaines connues pour leur tropismenaturel pour les sites inflammatoires et/ou hypoxiques, qui devrait donc leur permettre d’atteindre les tumeurs.Le deuxième outil consiste en des nanoparticules fonctionnalisées ou non avec un ligand ciblant les cellulestumorales, délivrées sous forme de spray dans les poumons. Cette méthode présente l’avantage de développer unoutil peu invasif pouvant être administré chez un patient présentant un cancer du poumon disséminé.Le dernier est un outil synthétique, bien défini structurellement, synthétisable de manière reproductible, de petitetaille, qui, après une administration par voie systémique cible les cellules tumorales primaires ou métastasées.Mes travaux permettent de mettre en évidence que, bien que les cellules souches mésenchymateuses ne soientpas de bons vecteurs pour le diagnostic et pour véhiculer un agent vers la tumeur, elles permettent de normaliserla vascularisation tumorale et de réorganiser les flux sanguins au sein de la tumeur. Ceci présente un éventuelintérêt thérapeutique, bien que complexe à mettre en application, qui pourrait ouvrir la porte à un pré-traitement« normalisateur » de la vascularisation tumorale.L’étude sur les nanovecteurs aérosolisés montre qu’ils peuvent être utiles, non seulement pour le ciblage tumoralpassif mais également pour le ciblage actif lorsqu’ils sont greffés avec un anticorps monoclonal spécifique descellules tumorales puisqu’ils permettent de détecter des nodules tumoraux répartis dans les poumons. De plus, leCetuximab utilisé ici comme agent de ciblage acquiert des propriétés nouvelles lorsqu’il est présenté sur desnanoparticules et permettrait de diminuer la résistance des cellules tumorales au traitement.Enfin, la petite molécule synthsétique PoroCombo que nous développons à partir de nos travaux antérieurs sur levecteur RAFT-RGD semble être la plus appropriée des trois pour délivrer une drogue dans le cytoplasme descellules après injection par voie systémique. De plus, cette molécule présente une triple activité anti-tumoraleavec l’induction de la mort cellulaire ainsi qu’un effet anti-angiogénique et le possible déclenchement d’uneréaction immunitaire anti-tumorale.Les trois « biovecteurs » étudiés ouvrent la porte vers un grand nombre d’applications permettant d’améliorer laprise en charge des tumeurs

Development of targeting vectors for tumors' detection and therapy

La bonne prise en charge des tumeurs repose sur un diagnostic précoce et une thérapie ciblée efficace. Nousétudions dans ce projet trois outils théranostiques, différents par leur origine et par leurs caractéristiques, afin dedémontrer leur intérêt pour l’imagerie et la thérapie des tumeurs.Le premier est un outil biologique, les cellules souches mésenchymateuses humaines connues pour leur tropismenaturel pour les sites inflammatoires et/ou hypoxiques, qui devrait donc leur permettre d’atteindre les tumeurs.Le deuxième outil consiste en des nanoparticules fonctionnalisées ou non avec un ligand ciblant les cellulestumorales, délivrées sous forme de spray dans les poumons. Cette méthode présente l’avantage de développer unoutil peu invasif pouvant être administré chez un patient présentant un cancer du poumon disséminé.Le dernier est un outil synthétique, bien défini structurellement, synthétisable de manière reproductible, de petitetaille, qui, après une administration par voie systémique cible les cellules tumorales primaires ou métastasées.Mes travaux permettent de mettre en évidence que, bien que les cellules souches mésenchymateuses ne soientpas de bons vecteurs pour le diagnostic et pour véhiculer un agent vers la tumeur, elles permettent de normaliserla vascularisation tumorale et de réorganiser les flux sanguins au sein de la tumeur. Ceci présente un éventuelintérêt thérapeutique, bien que complexe à mettre en application, qui pourrait ouvrir la porte à un pré-traitement« normalisateur » de la vascularisation tumorale.L’étude sur les nanovecteurs aérosolisés montre qu’ils peuvent être utiles, non seulement pour le ciblage tumoralpassif mais également pour le ciblage actif lorsqu’ils sont greffés avec un anticorps monoclonal spécifique descellules tumorales puisqu’ils permettent de détecter des nodules tumoraux répartis dans les poumons. De plus, leCetuximab utilisé ici comme agent de ciblage acquiert des propriétés nouvelles lorsqu’il est présenté sur desnanoparticules et permettrait de diminuer la résistance des cellules tumorales au traitement.Enfin, la petite molécule synthsétique PoroCombo que nous développons à partir de nos travaux antérieurs sur levecteur RAFT-RGD semble être la plus appropriée des trois pour délivrer une drogue dans le cytoplasme descellules après injection par voie systémique. De plus, cette molécule présente une triple activité anti-tumoraleavec l’induction de la mort cellulaire ainsi qu’un effet anti-angiogénique et le possible déclenchement d’uneréaction immunitaire anti-tumorale.Les trois « biovecteurs » étudiés ouvrent la porte vers un grand nombre d’applications permettant d’améliorer laprise en charge des tumeurs.A good tumor treatment relies on an early diagnosis and an efficient targeted therapy.Three theranostic tools are studied, each one having a different origin and different properties, in order to showtheir interest for tumor’s imaging and therapy.The first tool is a biologic one, human mesenchymal stem cells (MSC) having a natural tropism towardinflammatory and/or hypoxic sites, which should permit them to reach tumors.The second one is nanoparticles, functionnalized or not with an antibody targeting tumor cells, delivered by alung spray. By this method we develop a non-invasive tool to treat patients with a disseminated lung tumor.The last one is a synthetic small sized theranostic tool with a reproducible synthesis, which, after a systemicadministration, targets primary and metastatic tumor cells.By my work, I show that even if MSC are not good vectors for diagnosis and delivery of therapeutic agents tothe tumors’ sites, they normalize tumors’ vessels, improving blood flow inside the tumor. This property presentsa real therapeutic interest, by pre-treating tumors before using chemotherapy.The study of aerosolized nanovectors reveals their interest for passive tumor targeting and for an active onewhen grafted with a specific monoclonal antibody as they permit the detection of tumor nodules disseminated inthe lungs.More, the targeting agent Cetuximab acquires new properties when grafted on nanoparticles permitting todecrease tumor cells resistance to the treatment.Finally, the small synthetic molecule PoroCombo developed from our previous work on RAFT-RGD vectors,seems to be the most appropriated to deliver a molecule in the cell’s cytoplasm after a systemic administration.This molecule has three anti-tumor activities by inducing cell death, by inducing anti-angiogenic impact and bytriggering anti-tumor immune reaction.The three studied “biovectors” reveal large applications to improve tumors’ treatment.Key words

Utilisation des cellules souches mésenchymateuses humaines pour la thérapie cellulaire anti-cancéreuse dans un modèle de glioblastome

La difficulté dans le traitement du cancer, et tout particulièrement dans le cas des gliomes, est liée à la faible quantité de molécules thérapeutiques distribuées au niveau du site tumoral. Les traitements classiques du glioblastome, la tumeur cérébrale maligne la plus courante chez l adulte, conduisent à une médiane de survie de seulement 14 mois. Le pronostic des patients atteints par un gliome malin, tel que le glioblastome multiforme, est très mauvais en dépit des avancées chirurgicales, radio et chimiothérapeutiques. L aptitude des cellules souches mésenchymateuses à migrer vers les sites de lésions dans une variété de conditions pathologiques suggère qu elles peuvent être des vecteurs idéaux pour la délivrance thérapeutique. Dans notre étude, nous avons évalué le pouvoir des Cellules Souches Mésenchymateuses humaines (CSMh) elles-mêmes comme un outil dans la thérapie anti-cancéreuse. En utilisant un modèle de gliome très invasif nous avons suivi in vivo, par imagerie optique de bioluminescence et par imagerie par résonance magnétique (IRM), la migration et l impact des CSMh après injection systémique chez des souris porteuses de tumeurs. Ainsi des souris Nude NMRI ont été greffées avec des cellules de glioblastome humain et des CSMh ont été injectées en systémique. La progression tumorale a été évaluée par IRM ou par imagerie optique de bioluminescence. Notre étude a mis en évidence que les CSMh injectées en systémique ont un tropisme pour les sites tumoraux, migrent à l intérieur de la tumeur où elles restent vivantes. De plus, il s avère que la croissance tumorale a tendance à être ralentie par la seule présence des CSMh et ce, de manière dose-dépendante. Cette étude, réalisée dans les conditions les plus proches de la clinique humaine, ouvre la possibilité d un avenir prometteur quant à la prise en charge du glioblastome.The difficulty in cancer treatment, especially gliomas, is linked to the low level of therapeutic molecules brought to the tumor site. Current treatments for glioblastomas, the most common adult malignant tumor, result in a median survival of only 14 months. The prognosis of patients with malignant gliomas, such as glioblastoma multiforme, is extremely poor, despite their extensive surgical treatment and adjuvant radio and chemo therapy. The ability of bone marrow-derived stem cells to migrate to areas of injury in a range of pathologic conditions suggests that they may be ideal vectors for therapeutic delivery. In our study, we evaluated the power of human Mesenchymal Stem Cells (hMSC) themselves as a diagnostic and a therapeutic tool in cancer therapy. Using highly malignant and invasive human glioma models, we followed, in vivo, by bioluminescence optical imaging and by magnetic resonance imaging (MRI), hMSC migration on tumor bearing mice after systemic injection. Nude mice were engrafted with human glioblastoma cells and hMSC cells were systemically injected. The tumor progression was evaluated using MRI or optical bioluminescence imaging. Our study demonstrated that hMSC injected systemically have a tropism for tumor site, migrate extensively to the tumor and remain alive inside the tumor. Moreover, the tumor growth is slown down only thanks to the presence of hMSC themselves and this phenomenon seems to be dose-dependent. This study, performed in conditions as close as possible from the human clinic, reveals a brilliant future for the glioblastoma treatment.GRENOBLE1-BU Médecine pharm. (385162101) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF

The dual effect of MSCs on tumour growth and tumour angiogenesis.

International audienceINTRODUCTION: Understanding the multiple biological functions played by human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as their development as therapeutics in regenerative medicine or in cancer treatment are major fields of research. Indeed, it has been established that hMSCs play a central role in the pathogenesis and progression of tumours, but their impact on tumour growth remains controversial. METHODS: In this study, we investigated the influence of hMSCs on the growth of pre-established tumours. We engrafted nude mice with luciferase-positive mouse adenocarcinoma cells (TSA-Luc+) to obtain subcutaneous or lung tumours. When tumour presence was confirmed by non-invasive bioluminescence imaging, hMSCs were injected into the periphery of the SC tumours or delivered by systemic intravenous injection in mice bearing either SC tumours or lung metastasis. RESULTS: Regardless of the tumour model and mode of hMSC injection, hMSC administration was always associated with decreased tumour growth due to an inhibition of tumour cell proliferation, likely resulting from deep modifications of the tumour angiogenesis. Indeed, we established that although hMSCs can induce the formation of new blood vessels in a non-tumoural cellulose sponge model in mice, they do not modify the overall amount of haemoglobin delivered into the SC tumours or lung metastasis. We observed that these tumour vessels were reduced in number but were longer. CONCLUSIONS: Our results suggest that hMSCs injection decreased solid tumour growth in mice and modified tumour vasculature, which confirms hMSCs could be interesting to use for the treatment of pre-established tumours

A multi-center preclinical study of gadoxetate DCE-MRI in rats as a biomarker of drug induced inhibition of liver transporter function.

Drug-induced liver injury (DILI) is a leading cause of acute liver failure and transplantation. DILI can be the result of impaired hepatobiliary transporters, with altered bile formation, flow, and subsequent cholestasis. We used gadoxetate dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI), combined with pharmacokinetic modelling, to measure hepatobiliary transporter function in vivo in rats. The sensitivity and robustness of the method was tested by evaluating the effect of a clinical dose of the antibiotic rifampicin in four different preclinical imaging centers. The mean gadoxetate uptake rate constant for the vehicle groups at all centers was 39.3 +/- 3.4 s-1 (n = 23) and 11.7 +/- 1.3 s-1 (n = 20) for the rifampicin groups. The mean gadoxetate efflux rate constant for the vehicle groups was 1.53 +/- 0.08 s-1 (n = 23) and for the rifampicin treated groups was 0.94 +/- 0.08 s-1 (n = 20). Both the uptake and excretion transporters of gadoxetate were statistically significantly inhibited by the clinical dose of rifampicin at all centers and the size of this treatment group effect was consistent across the centers. Gadoxetate is a clinically approved MRI contrast agent, so this method is readily transferable to the clinic.less thanbr /greater thanConclusion: Rate constants of gadoxetate uptake and excretion are sensitive and robust biomarkers to detect early changes in hepatobiliary transporter function in vivo in rats prior to established biomarkers of liver toxicity.Funding agencies: HESI; National Center for Toxicological Research (NCTR)/U.S. Food and Drug Administration (FDA) [P00800]; National Institutes of Health from the National Institute of General Medical Sciences [R01 GM041935, R35 GM122576]</p

An MRI-based classification scheme to predict passive access of 5 to 50-nm large nanoparticles to tumors OPEN

Nanoparticles are useful tools in oncology because of their capacity to passively accumulate in tumors in particular via the enhanced permeability and retention (EPR) effect. However, the importance and reliability of this effect remains controversial and quite often unpredictable. In this preclinical study, we used optical imaging to detect the accumulation of three types of fluorescent nanoparticles in eight different subcutaneous and orthotopic tumor models, and dynamic contrast-enhanced and vessel size index Magnetic Resonance Imaging (MRI) to measure the functional parameters of these tumors. The results demonstrate that the permeability and blood volume fraction determined by MRI are useful parameters for predicting the capacity of a tumor to accumulate nanoparticles. Translated to a clinical situation, this strategy could help anticipate the EPR effect of a particular tumor and thus its accessibility to nanomedicines. Low-molecular-weight targeted anticancer drugs administered intravenously are usually homogeneously distributed in most tissues but are expected to eventually perform their (specific) function in cancer cells only. Depending on the importance and quality of this specific therapeutic activity, these drugs often provide insufficient therapeutic benefits and cause severe systemic toxicity. In such cases, it is expected that their entrapment in a nanoparticle (NP) will reduce their accumulation in healthy tissues while improving it in tumors via the so-called &quot;enhanced permeability and retention (EPR) effect 1,2 &quot;. Indeed, molecules less than 40-45 kDa can leak out of the tumor vascular bed by diffusion, depending on the difference in concentration between the therapeutic solution and tumor. They are also rapidly cleared as they are evacuated by the lymph and blood circulation. By contrast, larger molecules and NPs (up to 500 nm in size) have greater difficulties extravasating from the vascular bed. They benefit from the augmented permeability of tumor blood vessels to leak out of the vascular bed more efficiently than in normal tissues under a convection flow, which can be represented by the difference in pressure between the therapeutic solution and tumor. Large molecules are then captured in the tumor&apos;s interstitial space. The quantitative importance of the EPR effect is thus related to the tumor biology (i.e., systolic blood pressure that pushes blood into the tumor tissue, blood and lymphatic vessel architecture and functions, interstitial fluid and extracellular matrix composition and pressur