Xerocomellus chrysenteron lectin, a theranostic nanotool for imaging and treatment of epithelial cancers : proof of concept applied to ovarian peritoneal carcinomatosis

Abstract

Le développement de thérapies ciblées et des techniques d’imagerie est un défi majeur en santé, particulièrement dans les pathologies cancéreuses. Les carcinoses péritonéales sont habituellement causées par une dissémination de cellules tumorales au sein de la cavité abdominale, ce qui est le cas de 85% des patientes atteintes d'un cancer ovarien et plus de 10% des patients atteints d’un cancer colorectal. Dans les deux cas, les traitements consistent en une chirurgie (cytoréduction), aussi complète que possible, accompagnée de chimiothérapies. L'amélioration de la survie globale des patients passe par le développement de technologies parallèles comme de nouveaux outils diagnostiques pour détecter des implantations précoces dans le péritoine, le blocage de la dissémination de cellules cancéreuses pendant et après la chirurgie, ou encore la combinaison de chimiothérapies et de traitements ciblés intrapéritonéaux.Ce projet de thèse consiste à aborder ces différents aspects par l'utilisation d'un nanocontainer protéique multifonctionnel. L’objectif est d’optimiser cette protéine, appartenant à la famille des lectines, pour envisager son développement en tant qu'outil théranostique dans le cadre du diagnostic et des traitements de cancers épithéliaux. La lectine de Xerocomellus chrysenteron, à l’origine extraite d’un champignon supérieur comestible, présente une forte affinité pour un biomarqueur glycosidique des carcinomes, l’antigène de Thomsen-Friedenreich (antigène TF ou CD176). De plus, la présence d’une large cavité hydratée au centre de cet assemblage protéique (homotétramère) permet d’envisager le confinement et l’adressage spécifique de molécules thérapeutiques à des cellules épithéliales cancéreuses.Nous avons commencé par établir la preuve de concept de la délivrance ciblée de molécules thérapeutiques dans plusieurs lignées d’adénocarcinomes ovariens humains (OVCAR-3, SKOV-3, IGROV-1). Le marquage de la lectine dans le proche infrarouge a permis de confirmer le mécanisme de délivrance et prouver que la molécule thérapeutique avait bien été endocytée grâce à son confinement dans le nanocontainer. La protéine marquée a également été utilisée pour valider son utilisation comme nanosonde pour la détection de nodules tumoraux submillimétriques dans le péritoine. Cette détection est faite par imagerie de fluorescence in vivo dans des modèles précliniques de carcinose péritonéale ovarienne préalablement développés à partir de lignées cellulaires. La combinaison des deux propriétés de la protéine (sonde et container) permet d’envisager son utilisation en nanothéranostique intrapéritonéale. Afin de confirmer ce développement prometteur, il sera nécessaire d’établir la preuve de concept sur des modèles murins plus pertinents de la situation clinique développés à partir de tumeurs issues de patientes (Patient Derived Xenografts, PDX).The development of targeted therapy and imaging tools is a major challenge in human health, particularly in cancer pathologies. Peritoneal carcinomatosis is usually caused by scattering of cancer cells within the abdominal cavity, which is the case for 85% of ovarian cancer patients and more than 10% of colorectal cancer patients. In both cases treatments include a cytoreductive surgery, as complete as possible, and chemotherapies. Patients overall survival improvement can be reach with the development of parallel technologies such as new diagnostic tools to detect early implantations in the peritoneal cavity, agents to block the spreading of cancer cells detached during the surgical procedure, or combining chemotherapies and intraperitoneal targeted drug delivery.This project involves reaching all those aspects by using a unique multifunctional nanocontainer protein. The aim is to maximize this protein, which belongs to the lectin family, to consider its development as a theranostic tool as part of epithelial cancers diagnostic and treatment. Xerocomellus chrysenteron lectin, originally extracted from an edible higher mushroom, has a strong affinity for a carcinoma glycan biomarker, the Thomsen-Friedenreich antigen (TF antigen). Furthermore, a large hydrated inner cavity located in the middle of the tetrameric assembly of the protein led us to consider the containment and specific addressing of therapeutic molecules to epithelial cancerous cells expressing TF antigen. We first established the proof of concept for the targeted drug delivery of therapeutic molecules in several human ovarian adenocarcinoma cell lines (OVCAR-3, SKOV-3, IGROV-1). The labelling of the lectin in near infrared allowed us to confirm the mechanism implicated in the delivery and prove that the uptake of the molecule within the cells was due to its containment in the nanocontainer. The labelled protein was also used also to validate it as a nanoprobe for the detection of submillimeter nodules in the peritoneal cavity. This detection was made by in vivo fluorescence imaging in preclinical models of ovarian peritoneal carcinomatosis developed beforehand using established cell lines. The combination of these two properties of the protein (probe and container) permits to consider its use in intraperitoneal nanotheranostic. To confirm this promising development, it will be necessary to establish the proof of concept for theranostic aspects in mice models closer to clinic situations developed from patients’ tumors (patient derived xenografts, PDX)