Integration of a Raman spectroscopy system to a robotic-assisted surgical system for real-time tissue characterization during radical prostatectomy procedures

Surgical excision of the whole prostate through a radical prostatectomy procedure is part of the standard of care for prostate cancer. Positive surgical margins (cancer cells having spread into surrounding nonresected tissue) occur in as many as 1 in 5 cases and strongly correlate with disease recurrence and the requirement of adjuvant treatment. Margin assessment is currently only performed by pathologists hours to days following surgery and the integration of a real-time surgical readout would benefit current prostatectomy procedures. Raman spectroscopy is a promising technology to assess surgical margins: its in vivo use during radical prostatectomy could help insure the extent of resected prostate and cancerous tissue is maximized. We thus present the design and development of a dual excitation Raman spectroscopy system (680- and 785-nm excitations) integrated to the robotic da Vinci surgical platform for in vivo use. Following validation in phantoms, spectroscopic data from 20 whole human prostates immediately following radical prostatectomy are obtained using the system. With this dataset, we are able to distinguish prostate from extra prostatic tissue with an accuracy, sensitivity, and specificity of 91%, 90.5%, and 96%, respectively. Finally, the integrated Raman spectroscopy system is used to collect preliminary spectroscopic data at the surgical margin in vivo in four patients

Impact d'une perturbation mécanique ou photo-chimique sur le trafic intracellulaire

The cell cytoplasm is crowded with membrane-delimited compartments, permanently communicatingwith each other. Such communication is permitted by active transport, also called intracellulartrafficking, of vesicles along the cytoskeleton (actin filaments, microtubules), and mediated bymolecular motors. In order to perturbate this intracellular trafficking, two different ways to applycontrolled physical stresses have been performed. The first perturbation is a mechanical one : weused magnetic endosomes to probe and stress the cell body. To obtain them we internalized magneticnanoparticles into mesenchymal stem cells (MSC) through the natural endocytosis pathway.These endosomes align into chains in the presence of a magnetic field. The mechanical perturbationthen consists in applying a rotational magnetic field on these chains. When comparing the activitybefore and after a shear stress, we observed a decrease in the intracellular activity. The secondperturbation has a photochemical origin, through the excitation of an internalized photosensitizermolecule (m-THPC or TPCS2a). By combining measurements of local cytoplasmic viscosityand intracellular activity, we found that photo-activation induced only a slight increase in viscositywhile a massive slowing down of trafficking was observed. These effects are correlated withdepolymerization of the microtubule network. The experiments demonstrate that these two photochemicalagents have different intracellular impacts. Eventually, we studied a second effect of thephotochemical perturbation which is the massive and rapid emission of extracellular vesicles.Le trafic intracellulaire est un phénomène naturel essentiel au bon fonctionnement de la cellule.Il permet le transport des molécules biologiques vers leur destination, le renouvellement des membranesdes différents compartiments, et il participe à la communication entre le milieu intracellulaireet le milieu extracellulaire. A l’intérieur des cellules, le cytoplasme est un milieu viscoélastique,dans lequel les phénomènes de diffusion libre sont lents. Le trafic intracellulaire fait intervenir desmoteurs moléculaires, qui sont capables de convertir de l’énergie chimique en énergie mécanique,afin d’offrir au contenu des vésicules un transport efficace le long des filaments du cytosquelette.Nous proposons deux façons de perturber le trafic intracellulaire afin de mieux comprendre sonfonctionnement. La première perturbation est de type mécanique : des endosomes (vésicules destockage) sont rendus magnétiques par l’internalisation de nanoparticules magnétiques dans descellules souches mésenchymateuses (MSC), de façon à pouvoir être manipulés mécaniquement.Nous observons le déplacement spontané d’une chaine d’endosomes magnétiques (2-4 endosomespar chaîne) avant et après un cisaillement effectué grâce à un champ magnétique rotationnel. Nousavons quantifié une légère diminution du trafic intracellulaire après la rotation des chaînes sansobserver de modification des propriétés viscoélastiques du cytoplasme. La deuxième perturbationest d’origine photochimique et consiste à exciter une molécule photosensible, qui a été au préalableinternalisée dans des cellules cancéreuses (PC3). L’activation de ces molécules trouve des applicationsen thérapie anticancéreuse. Nous avons observé une forte diminution du trafic intracellulaireaprès la photo-activation avec en parallèle une faible augmentation de la viscosité. Ceci témoigned’un impact direct sur les acteurs du trafic intracellulaire. De plus, des observations sur systèmemodèle (microtubules + endosomes) ont montré un accroissement de la fréquence des catastrophesdes microtubules suite à la photo-activation. Cette étude à l’échelle de la cellule unique, nous apermis de mettre en évidence un second effet de la photothérapie : l’émission rapide et massive devésicules extracellulaires

Applications thérapeutiques des vésicules extracellulaires

Les vésicules extracellulaires, sécrétées spontanément ou en réponse à un stress par tous les types cellulaires, sont proposés comme des biothérapies alternatives aux thérapies cellulaires et aux nanomédicaments synthétiques. Leurs atouts logistiques (stockage, stabilité, disponibilité, tolérance), leur capacité à franchir les barrières biologiques, à délivrer leurs contenus (protéines, lipides et acides nucléiques) pour modifier leurs cellules cibles, ainsi que leurs activités immunomodulatrice et régénérative, suscitent un intérêt grandissant pour un très large spectre de maladies. Cette synthèse présente les défis qui restent à relever pour appliquer ces biothérapies en clinique. Quelques applications prometteuses dans les domaines du cancer et de la médecine régénérative seront proposées

Combining magnetic nanoparticles with cell derived microvesicles for drug loading and targeting

International audienceInspired by microvesicle-mediated intercellular communication, we propose a hybrid vector for magnetic drug delivery. It consists of macrophage-derived microvesicles engineered to enclose different therapeutic agents together with iron oxide nanoparticles. Here, we investigated in vitro how magnetic nanoparticles may influence the vector effectiveness in terms of drug uptake and targeting. Human macrophages were loaded with iron oxide nanoparticles and different therapeutic agents: a chemotherapeutic agent (doxorubicin), tissue-plasminogen activator (t-PA) and two photosensitizers (disulfonated tetraphenyl chlorin-TPCS2a and 5,10,15,20-tetra(m-hydroxyphenyl)chlorin-mTHPC). The hybrid cell microvesicles were magnetically responsive, readily manipulated by magnetic forces and MRI-detectable. Using photosensitizer-loaded vesicles, we showed that the uptake of microvesicles by cancer cells could be kinetically modulated and spatially controlled under magnetic field and that cancer cell death was enhanced by the magnetic targeting