Système miniaturisé pour l'isolement de cellules cancéreuses dans le sang et le criblage de molécules thérapeutiques

Les cellules tumorales circulantes (CTCs) sont considérées comme des éléments essentiels dans le développement des foyers métastases et la rechute en oncologie. La détection des CTCs présentes dans le sang des patients et leur caractérisation moléculaire sont devenues des enjeux cruciaux pour le développement de thérapies personnalisées. y

Les CTCs étant des éléments rares et hétérogènes dans le sang, le projet présenté ici vise à développer un système original miniaturisé (microfluidique) multifonction permettant :

1) d’isoler des CTCs ;

2) de concentrer et cultiver des CTCs ;

3) de collecter des CTCs pour leur caractérisation ;

4) d’utiliser des CTCs pour le criblage de molécules thérapeutiques.

Pour aller plus loin

La progression des cancers solides ne repose pas uniquement sur la tumeur initiale. Une partie des cellules cancéreuses peut quitter le site tumoral par la circulation sanguine ou lymphatique. Ces cellules, appelées cellules tumorales circulantes ou CTCs, jouent un rôle central dans la formation des métastases et dans les rechutes après traitement. Certaines d’entre elles peuvent persister dans un état quiescent (état de dormance) pendant de longues périodes, et former une maladie dite résiduelle, indétectable sur le plan clinique. Pour des raisons mal définies, des modifications du microenvironnement tumoral sont responsables du réveil de ces cellules et aboutisssent à la récidive de la maladie associée à l’apparition de résistances aux drogues

Détecter des cellules rares et hétérogènes

Les CTCs sont extrêmement rares dans le sang : on en dénombre souvent moins de dix par millilitre. Elles présentent en outre une grande diversité biologique, tant par leur taille que par l’expression de leurs marqueurs moléculaires. Ces caractéristiques rendent leur isolement techniquement complexe. Les dispositifs existants reposent généralement sur plusieurs étapes successives d’enrichissement et de tri, ce qui augmente le risque de perte cellulaire et limite la possibilité de maintenir ces cellules en culture. Ces limites freinent leur utilisation pour une analyse approfondie et pour le test de traitements adaptés à chaque patient.

La microfluidique, une technologie adaptée aux cellules individuelles

Le projet mené par Javier Muñoz Garcia utilise la microfluidique, une technologie qui consiste à faire circuler de très petits volumes de liquide dans des canaux miniaturisés, de l’ordre du micromètre, soit à l’échelle d’une cellule. Cette approche permet de manipuler et d’observer des cellules une par une. À cette échelle, certaines caractéristiques physiques des cellules, comme leur taille ou leur capacité à se déformer, peuvent être mises à profit pour les distinguer des autres cellules présentes dans le sang.

L’objectif est de concevoir un dispositif compact capable de prendre en charge plusieurs étapes successives à partir d’un simple prélèvement sanguin : repérer les cellules tumorales circulantes, les séparer des autres cellules, les concentrer en petit nombre, puis les maintenir en vie pour les analyser et tester des traitements.

Un dispositif intégré, de l’isolement à la culture cellulaire

Le système en cours de développement repose sur une puce microfluidique combinant plusieurs modules. Un premier circuit en spirale sépare les cellules du sang en fonction de leur taille, permettant de distinguer les éléments figurés du sang des CTCs. Ces dernières peuvent ensuite être dirigées soit vers une zone de collecte pour leur caractérisation moléculaire, soit vers un micro-circuit de concentration. Les cellules d’intérêt sont enfin transférées dans des micro-chambres de culture où elles sont maintenues dans un environnement contrôlé, avec un apport continu en nutriments. Cette culture tridimensionnelle permet la formation de micro-tumeurs, appelées sphéroïdes, qui reproduisent certaines caractéristiques du tissu tumoral in vivo.

Tester des traitements directement sur les cellules du patient

Une fois cultivées, les CTCs peuvent être exposées à différentes molécules thérapeutiques. Ce criblage de drogues consiste à évaluer la réponse des cellules à des chimiothérapies ou à des traitements ciblés, tels que des inhibiteurs de récepteurs à tyrosine kinase. L’ensemble du dispositif est conçu pour être automatisé et compatible avec l’imagerie en temps réel, grâce à l’utilisation de supports en verre permettant l’observation microscopique directe des cellules.

Une démarche translationnelle au plus près de la clinique

Le projet est mené au sein du laboratoire d’Hétérogénéité Tumorale et Médecine de Précision de l’Institut de Cancérologie de l’Ouest, à Saint-Herblain. Il s’inscrit dans une dynamique translationnelle, reliant la recherche technologique aux besoins cliniques. Les puces seront d’abord optimisées à l’aide de microbilles et de lignées cellulaires cancéreuses issues de différents tissus, puis validées sur des échantillons sanguins de patients atteints de cancers du sein, de la prostate, du poumon ou de sarcomes. L’accès aux cohortes biologiques est assuré par une collaboration étroite avec la tumorothèque de l’établissement.

Apports scientifiques et bénéfices potentiels pour les patients

Ce projet propose un outil intégré permettant de mieux exploiter le potentiel des CTCs, depuis leur isolement jusqu’à leur utilisation pour des tests fonctionnels. Il contribue à améliorer la compréhension de l’hétérogénéité tumorale et des mécanismes de résistance aux traitements.
À terme, ce type de dispositif pourrait aider les cliniciens à disposer d’informations complémentaires pour orienter les choix thérapeutiques, en particulier chez des patients présentant une maladie métastatique en échec de traitement. Il s’inscrit dans une perspective de médecine personnalisée, fondée sur l’analyse directe des cellules tumorales circulantes propres à chaque patient.