Mechanical Analysis of Doxorubicin Induced Cardiotoxicity on an Animal Model

Objectif : La chimiothérapie a fait ses preuves au fils des années comme traitement principal permettant de détruire les cellules cancéreuses présentes dans plusieurs types de cancers. La doxorubicine a longtemps été utilisée comme un agent anti-cancérigène dans la chimiothérapie mais elle entraine des effets secondaires dans le corps tels que la suppression de plaquettes et de globules blancs, le développement de l'alopécie, ou encore la perte de myofibrille dans les parois du coeur. De plus, la doxorubicine peut amener des effets cardiaques comme un arrêt du coeur. L'objectif de ce travail est de proposer des solutions pour détecter les effets cardiotoxiques de cet agent, au moyen de la spectrométrie Raman et de la rhéologie, en faisant des tests moléculaires et mécaniques sur des coeurs de porc. Matériel et méthodes : Des échantillons de coeur de porc ont été récupérés d'une étude dans laquelle cinq miniporcs Yucatan femelles ont reçu une dose totale de 375mg/m2 de doxorubicine administrée en cinq fois à trois semaines d'intervalles, formant le groupe expérimental appelé groupe ‘DOXO'. Par ailleurs, deux miniporcs ont reçu une injection saline selon le même protocole, formant le groupe ‘untreated'. À l'aide d'un rhéomètre, des tests de frequency sweep et de relaxation ont été effectués sur ces échantillons pour mesurer la contrainte de cisaillement (G), le module de perte (G'') et finalement le module de stockage (G'). En parallèle, des tests en spectroscopie Raman ont été effectués pour déterminer la composition moléculaire des échantillons. Résultats: Nous avons obtenu un comportement linéaire pour une déformation de  =1,6% lors des tests de strain sweep. Cette déformation a été appliquée pour les tests de frequency sweep et de contrainte-relaxation. Le test de frequency sweep nous permet de conclure à une baisse globale des propriétés mécaniques des échantillons DOXO dans le septum par rapport au groupe « untreated » alors que nous avons constaté une augmentation dans les ventricules gauches et droits. Lors des tests de relaxation, nous avons trouvé une grande diminution dans les propriétés mécaniques des échantillons du groupe DOXO par rapport au groupe ‘untreated'. Quant aux résultats de la spectrométrie Raman, nous avons obtenu une baisse générale du collagène et des lipides dans les échantillons DOXO, ce qui suggère une diminution dans la rigidité structurelle. Les résultats obtenus par rhéométrie ont été comparés aux résultats obtenus par spectroscopie Raman et nous avons observé une corrélation significative. Conclusion: Les propriétés mécaniques et la composition chimique du tissu cardiaque ont été altérées par le traitement à la doxorubicine chez des mini-porcs Yucatan. Cette experimentation, associée à de futures études, permettra de définir de nouveaux biomarqueurs des traitements à la doxorubicine, et à long terme de trouver des solutions permettant de réduire l'effet cardiotoxique. Mots clés: Cardiotoxicité, Doxorubicine, rhéométrie, Strain Sweep, Frequency Sweep, Test de contrainte-relaxation, Spectrométrie Raman

Abstract

Purpose: Chemotherapy has been proven to be the best way to eliminate several types of cancer. However, derived from this form of treatment is its cardiotoxic damage and overall functioning of the human heart. Young patients receiving a high dosage are the most prone to develop this cardiotoxicity, which can occur either early or late after treatment. This study aims to specifically investigate the effects doxorubicin has on the overall mechanical and morphological properties in the heart. Material & Methods: Five young female miniature swines received five 75mg/m2 injections of doxorubicin every three weeks for a total cumulative dose of 375mg/m2, constituting the experimental group called DOXO samples. Two miniature swines received a saline injection under the same protocol, constituting the untreated group. These samples were subjected thereafter to frequency sweep and stress-relaxation test in order to determine the shear modulus (G), loss modulus (G”) and storage modulus (G') using a rheometer. In parallel, samples were also placed in a raman probe after being submerged in a saline solution. This was used for the Raman Spectrometry portion of the experimentation where the goal of this last one was to determine to molecular composition of each sample tested through the notions of detecting various Raman shift along the domain. Results: Miniature swines receiving chemotherapy yielded a difference in the mechanical properties. The septum portion of the heart showed an overall diminishment in the storage and loss modulus whereas the left and right ventricle showed an overall strengthening of these parameters. The stress-relaxation test which is the most deterministic test studied showed a clearer drop in the mechanical properties of the DOXO samples. In the Raman Spectrometry study, results obtained showed an overall decrease in the collagen and lipids content in the DOXO samples. This can be linked potentially to the overall degradation of the sample's structural rigidity. This is why there was a strong correlation between the mechanical testing conducted and the Raman Spectrometry test. Conclusion: The mechanical properties and the chemical composition of the cardiac tissue altered but the doxorubicin treatment on the Yucatan miniature swine. The combination between this experimentation and future advancements will help characterize biomarkers for the doxorubicin agent, which can ultimately lead to finding solutions on how to reduce its manifestation on the central cardiac cavity. Keywords: Cardiotoxicity, Doxorubicin, Miniature Swine, Rheometry, Strain Sweep, Frequency