Tumeurs micro-disséquées sur puce microfluidique

Le cancer est une maladie complexe et très difficile à éliminer, en grande partie en raison des nombreux types différents de cancers et du caractère unique de chaque individu, faisant en sorte que les patients répondent différemment à la gamme grandissante de traitements disponibles. D'associer à chaque patient le meilleur traitement possible constitue l'un des grands défis de la médecine personnalisée d'aujourd'hui. Cela permettra d'éviter les effets secondaires et les coûts liés à des traitements inefficaces. En même temps, les chances de succès seront plus élevées puisqu'en appliquant le traitement optimal plus tôt, le cancer aura moins le temps de développer les mécanismes de résistance qui le rendent de plus en plus difficile à traiter. Cependant, les modèles actuels de culture de cellules cancéreuses ne permettent pas de recréer parfaitement toutes les caractéristiques des patients qui seront ultimement traités par les chimiothérapies testées. Les modèles animaux ne répliquent pas bien le système immunitaire humain, ni la complexité et l'instabilité génétique des cancers humains alors que la plupart des modèles de culture in vitro négligent en plus le caractère tridimensionnel (3D) du tissu. Les sphéroïdes – des amas cellulaires tridimensionnels synthétisés en laboratoire – sont un modèle de tissu simple et prometteur, mais ceux formés à partir de lignées cellulaires établies ne reproduisent pas bien la complexité et les particularités des cancers de patients. L'objectif de ce projet est de proposer une procédure permettant d'effectuer des tests de réponses aux chimiothérapies directement sur le tissu tumoral de patients, extrait par biopsie ou par chirurgie. En préservant l'architecture 3D et la composition cellulaire du tissu primaire, cette technique a le potentiel de mieux prédire la réponse du patient comparativement aux autres méthodes de culture des cellules. L'approche retenue consiste à miniaturiser les échantillons ainsi que le dispositif dans lequel ils sont gardés en culture, ce qui lui confère des avantages importants relatifs au contexte clinique dans lequel le projet s'inscrit. Premièrement, en coupant petit, il est possible d'obtenir plusieurs échantillons à partir d'une quantité minime de tissu, lesquels pourront ensuite être exposés à différentes options de traitements. Deuxièmement, en employant un système microfluidique comme dispositif d'incubation, le volume est grandement réduit, minimisant par le fait même les coûts en réactifs (par exemple, les chimiothérapies ou les marqueurs fluorescents). Enfin, la petite taille des systèmes réduit les temps de diffusion, ce qui facilite le transport d'oxygène, de nutriments et d'autres molécules jusqu'au centre du tissu.

Abstract

Cancer is a complex disease and very difficult to eradicate, mainly because there are many different subtypes of cancer and each individual responds differently to the increasing number of available treatments. Associating the best treatment to each and every patient is one of the greatest challenges of personalized medicine today. Personalizing treatment will enable doctors to avoid the side effects and costs related to inefficient treatments. At the same time, therapy success rates will increase by applying an efficient treatment earlier when the disease has not yet had time to develop resistance mechanisms making it more difficult to treat. However, currently available cancer cell culture models do not perfectly recreate all the characteristics of patients' tumors that will ultimately be treated by the tested therapeutics. Animal models do not replicate the human immune system, nor the complexity and instability of human cancers, while most in vitro models also neglect the three dimensionality of tissue. Spheroids – laboratory-synthesized three dimensional (3D) clusters of cells – constitute a simple and promising tissue model, but those grown from established cell lines do not reproduce the complexity and characteristics of specific patients' cancers. The aim of the current research is to propose a new procedure whereby different drugs could be tested directly on tumor tissue extracted from patients through biopsy or surgery. By preserving the 3D architecture and cellular composition of primary tissue, this technique could potentially offer better prediction of patients' response compared to other cell culture models. The chosen approach, which consists in miniaturizing the tissue samples and the device in which they are cultured, has many important advantages relative to the clinical application of the project. First, by cutting the tissue into small pieces, many samples are obtained from a small quantity of tissue which can then be exposed to different treatment options. Second, through the use of a microfluidic system as an incubation device, the volume is reduced, thereby minimizing the cost of reagents (for example, chemotherapy agents or fluorescent markers). Finally, the small size of the systems reduces diffusion times, which facilitates the transport of oxygen, nutrients and other molecules to the center of the tissue. Four different types of mouse tumor xenografts – grown from human prostate and ovarian cancer cell lines – were used to establish all the steps of the procedure. First, a cutting technique was developed to produce many submillimeter-sized micro-dissected tumor samples (MDTs) from small amounts of primary tissue. Disk-like MDTs of approximately 380 µm in diameter by 300 µm high were produced using a vibratome to cut thin slices of agar-embedded tissue followed by a biopsy punch to reduce their size to the desired diameter.