Bull Cancer 2015; 102: 83–91

Synthèse

en ligne sur / on line on www.em-consulte.com/revue/bulcan www.sciencedirect.com

Nanoparticules et radiothérapie Valentin Calugaru 1, Nicolas Magné 2,3,4, Joel Hérault 5, Sylvie Bonvalot 6, Christophe Le Tourneau 7,8, Juliette Thariat 5,9

Reçu le 21 septembre 2014 Accepté le 18 octobre 2014 Disponible sur internet le : 9 janvier 2015

1. Institut Curie, département d'oncologie radiothérapie, 26, rue d'Ulm, 75005 Paris, France 2. Institut de cancérologie Lucien-Neuwirth, département de radiothérapie, 108 bis, avenue Albert-Raimond, 42270 Saint-Priest-en-Jarez, France 3. Université Jean-Monnet, faculté de médecine Jacques-Lisfranc, 15, rue Ambroise-Paré, 42100 Saint-Étienne, France 4. Université de Lyon 1, faculté de médecine Lyon-Sud, laboratoire de radiobiologie cellulaire et moléculaire, EMR3738, équipe 4, 165, chemin du Petit-Revoyet, 69921 Oullins, France 5. Centre Lacassagne, département d'oncologie radiothérapie, Cyclotron médical, 33, avenue Valembrose, 06100 Nice, France 6. Institut Gustave-Roussy, département de chirurgie, 144, rue Edouard-Vaillant, 94805 Villejuif cedex, France 7. Institut Curie, département d'oncologie médicale, 26, rue d'Ulm, 75005 Paris, France 8. Institut Curie, unité Inserm U900, 33, rue d'Ulm, 75005 Paris, France 9. Centre Lacassagne, département d'oncopharmacologie UE3836, 33, avenue Valembrose, 06100 Nice, France

Correspondance : Valentin Calugaru, Institut Curie, département d'oncologie radiothérapie, 33, rue d'Ulm, 75005 Paris, France. [email protected]

Résumé Introduction > Les nanoparticules sont des agents thérapeutiques émergents en oncologie en raison de leurs caractéristiques biochimiques et physiques, et de leur pharmacocinétique. Le rationnel actuel et les applications cliniques en association avec la radiothérapie ont été analysés. Matériel et méthodes > Une revue de la littérature a été effectuée avec un focus sur les nanoparticules métalliques utilisées comme radiosensibilisants directs et leurs mécanismes d'action, par opposition avec les nanoparticules utilisées à l'exemple de vecteurs de médicaments comme le nab-paclitaxel. Résultats > Les nanoparticules métalliques augmentent sélectivement le dépot de dose in situ dans les tissus tumoraux. Les abondantes données précliniques suggèrent que l'effet dominant en conditions de kilovoltage, à faibles énergies, passe par un effet photoélectrique. Dans des gammes d'énergies plus courantes en clinique (en mégavoltage), leur efficacité peut être optimisée en utilisant les caractéristiques physiques et biochimiques (taille, concentration, site d'injection etc.). Plusieurs essais cliniques sont en cours avec des nanoparticules métalliques/crystallines. Conclusion > Les nanoparticules utilisées comme radiosensibilisants sélectifs font actuellement l'objet de nombreuses études cliniques évaluant leur tolérance et leur efficacité.

tome 102 > n81 > janvier 2015 http://dx.doi.org/10.1016/j.bulcan.2014.10.002 © 2014 Société Française du Cancer. Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.

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Mots clés Nanoparticule Radiothérapie Métallique Radiosensibilisation Cancer

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V. Calugaru, N. Magné, J. Hérault, S. Bonvalot, C. Le Tourneau, J. Thariat

Keywords Nanoparticle Radiation therapy Metallic Radiosensitization Cancer

Summary Nanoparticles and radiation therapy Background > Nanoparticles have emerged in oncology as new therapeutic agents of distinct biochemical and physical properties, and pharmacokinetics. Current rationale and clinical applications in combination with radiation therapy were analyzed. Material and methods > A review of the literature was conducted on nanoparticles as radiosensitizers, with a focus on metallic nanoparticles and radiosensitization mechanisms. Results > Nanoparticles are mainly used as vectors for drugs or to potentiate dose deposit selectively in irradiated tissues. Preclinical data suggest a predominating effect in the kilovoltage range through a photoelectric effect and a potential in the megavoltage range under a combination of physical and biochemical (diameter, concentration, site of infusion etc) conditions. Several clinical trials are ongoing with metallic/crystalline nanoparticles. Conclusion > Nanoparticles have shown a potential for better therapeutic index with radiation therapy, which is being increasingly investigated clinically.

Introduction

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Les nanotechnologies se sont développées sous l'impulsion, entre autres, du Nobel Richard Feynman, décrit comme « l'homme qui a osé penser petit ». Une nanoparticule (ou particule ultra-fine, qualificatif surtout usité en sécurité environnementale et auquel on préfèrera « nanoparticule » en thérapeutique), est définie par la norme International Organization for Standardization (ISO) comme étant un nano-objet dont les trois dimensions sont à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire une particule dont le diamètre nominal est inférieur à 100 nm environ. Une autre définition, plus large, qualifie de « nanoparticule » un assemblage d'atomes dont au moins une des dimensions se situe à l'échelle nanométrique, entre l'Angström, échelle de l'atome et le micromètre ou micron, échelle d'une cellule eucaryote  10–100 mm, une nanoparticule étant environ 100 000 fois plus petite qu'une cellule humaine moyenne. Les nanotechnologies consistent à fabriquer des matériaux à l'échelle du nanomètre et se sont développées à partir des années 1970 dans les domaines de la physique, de la chimie et des biomatériaux avec des développements en médecine depuis les années 1980. L'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (Anses) contrôle et encadre l'expansion des nanoparticules dans le domaine de la santé. Les propriétés physiques (température de fusion, dureté, durabilité. . .) de la matière changent lorsque la taille des objets se rapproche du nanomètre par un effet de surface qui est négligeable pour un matériau macroscopique mais significatif pour un objet nanométrique en rapport avec la fraction des atomes appartenant à la surface. La taille des nanoparticules leur confère des propriétés spécifiques d'intérêt pour un usage en thérapeutique. Une, deux ou trois de leurs dimensions de taille sont dans le domaine nanométrique. Ainsi, les nanotubes ont deux dimensions nanométriques.

Il existe ainsi une grande variété de nanoparticules. Si le choix du cœur des particules est primordial en ce qui concerne la protection et l'éventuel relargage des agents d'intérêt, le contrôle de la surface l'est tout autant. Ce sont en effet ses propriétés de surface qui permettront à la particule de véhiculer les agents thérapeutiques ou diagnostiques vers la zone ciblée. Différentes formes de nanoparticules ont été développées : sphériques (liposomes, micelles, nanoparticules polymériques, nanocapsules, inorganiques comme l'or et l'argent, dendrimères, hybrides métal-organiques, à base d'albumine), tubes (carbone, oxyde de titane). Les nanoparticules ont trois domaines d'application principaux en oncologie : en imagerie, en oncologie médicale et en radiothérapie selon des modalités différentes qui dépendent de leurs propriétés physicochimiques spécifiques. En imagerie, ce sont leurs effets superparamagnétiques qui sont utilisés dans les particules d'oxyde de fer en IRM. En oncologie médicale et pharmacie, la biodistribution et une pharmacocinétique distinctes de celles des autres composants utilisés en oncologie, sont exploitées comme mode de vectorisation et transport ciblé des médicaments. Les nanoparticules diffusent à travers les vaisseaux perméables des tumeurs permettant une extravasation dans les tumeurs sans réentrée dans la circulation sanguine. Ceci induit une accumulation préférentielle contrôlée dans les tumeurs et leur confère un effet de rétention élevée, avec une bonne concentration tissulaire dans les tissus tumoraux. Ces nanoparticules sont des matériaux inertes, thermodynamiquement stables, bioabsorbables, biocompatibles, et peuvent être conjuguées à d'autres molécules pour optimiser leur effet anti-tumoral. Les nanoparticules ne sont pas toxiques sauf à très fortes doses. Elles sont épurées par le système phagocytaire en deçà de certaines concentrations tissulaires, mais il peut être observé un effet de rétention au moins transitoire au-delà. Elles

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actif la toxicité des médicaments sur les cellules cancéreuses, tout en réduisant significativement les effets indésirables sur les tissus sains. Parmi les plus connus, nous pouvons citer l'Abraxane® (Baxter Healthcare) qui a obtenu une AMM en 2008, pour le traitement en monothérapie du cancer du sein métastatique. C'est une formulation nanoparticulaire à base de paclitaxel amorphe et d'albumine sérique humaine. BIND Therapeutics propose BIND-014 un Accurin qui cible PSMA (antigène membranaire spécifique de la prostate) et contient le docétaxel. Les Accurins sont des nanoparticules contenant une charge thérapeutique et sont conçus pour cibler les tumeurs à trois niveaux : tissus, cellulaire et moléculaire. BIND-014 est actuellement en phase 2 des essais cliniques pour le cancer du poumon non à petites cellules et de la prostate métastatique résistant à la castration cancer (NCT01812746). Notons qu'un ciblage passif basé sur l'effet « EPR » permettrait d'éviter les coûts importants du ciblage actif, et ainsi justifier l'utilisation fréquente d'administration en intra-tumorale des nanoparticules en développement préclinique et même clinique. L'effet d'augmentation de la dose absorbée in situ (dans le site tumoral) en radiothérapie peut être simulé physiquement, mesuré in vitro et recherché in vivo. Cette revue décrit les modes d'action et applications cliniques des nanoparticules (essentiellement métalliques, figure 1) en radiothérapie.

Matériel et méthodes Une revue de la littérature anglophone et francophone basée sur les termes Mesh : nanotechnology cancer, nanoparticles, et radiosensitization a ramené 3832 articles et 58 références. Une sélection a ensuite été réalisée sur les articles précliniques pilotes.

Résultats Une revue de la littérature permet de distinguer deux modalités principales d'application, la vectorisation de médicaments radiosensibilisants connus comme le paclitaxel (nab-paclitaxel dans 14 des 18 essais recensés sur le site du NCI ClinicalTrials. gov) ou l'utilisation de nanoparticules utilisées pour leurs caractéristiques physicochimiques spécifiques et radiosensibilisantes par leur effet d'augmentation d'absorption in situ de l'énergie des rayonnements ionisants ou par effets directs. Plusieurs aspects concourent à l'activité des nanoparticules « métalliques ». Différentes nanoparticules sont utilisées de métaux : or (Au, Z 79 selon la table de Mendeleïev), platine (Pt, Z 78), hafnium (Hf, Z 72), gadolinium (Gd, Z 64), argent (Ag, Z 47), ruthénium (Ru, Z 44), fer (Fe, Z 26), ou encore le bismuth (Bi, Z 83) de métalloïdes tels que le germanium (Ge, Z 73) ou de nonmétaux comme le carbone (C, Z 6), souvent en tubes. Le numéro atomique élevé des nanoparticules « métalliques » leur confère une densité électronique élevée, densité associée à une absorption de l'énergie des rayonnements in situ et vecteur de l'efficacité des rayonnements ionisants. Leur potentiel redox et

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servent comme transporteur de molécules à visée cytostatique ou cytotoxique et seraient plus avantageuses que les « petites molécules », désignant les molécules (et en particulier les thérapies ciblées) d'une taille leur permettant de diffuser à travers la membrane cellulaire pour atteindre leur cible intracellulaire, qui ont un passage systémique. Leur surface, forme et densité ainsi que le type cellulaire influencent l'efficacité de leur captation tumorale et leur profil de toxicité. Elles sont pures ou conjuguées : elles peuvent être pégylées, associées à des groupements thiols ou manipulées pour créer un environnement hydrophobe ou hydrophile facilitant leur absorption et leur diffusion cellulaire, ou encore être couplées à des molécules permettant d'augmenter l'affinité. Leur formulation en lysosomes, polymères, peptides est choisie notamment en fonction des profils de toxicité du médicament véhiculé pour en limiter le relargage dans la circulation vers les organes sains, et par exemple d'éviter leur clairance rénale. Pour certaines nanoparticules comme NBTXR3, la principale voie d'élimination après une injection intra-vasculaire est fécale (excrétion biliaire), l'excrétion urinaire étant presque nulle, mais il existe également une captation qui peut être durable dans le système réticuloendothélial. Les nanoparticules peuvent aussi être utilisées pour stabiliser des ARN utilisés à visée thérapeutique. Les nanoparticules vectrices, décrites ci-dessus, peuvent être utilisées dans le cadre de traitements combinés (radiochimiothérapie). En radiothérapie, la délivrance d'une dose tumoricide se heurte à la toxicité limitante des tissus sains irradiés dont le coefficient d'absorption de masse est généralement proche. Le rationnel de l'utilisation de nanoparticules sélectionnées pour leurs caractéristiques physicochimiques, est d'augmenter, grâce aux nanoparticules, ce coefficient d'absorption de façon très sélective dans la tumeur pour augmenter l'effet différentiel tumeur/tissus sains. Les tumeurs solides sont donc caractérisées par un réseau vasculaire important mais fenestré et un drainage lymphatique faible. En effet, la rapide croissance tumorale induit une forte densité, ce qui réduit l'espace intercellulaire et limite le drainage par la lymphe. Ces caractéristiques induisent au niveau des tumeurs solides un phénomène nommé EPR en anglais (pour Enhanced Permeation and Retention) : ce phénomène correspond à un accroissement de la perméation engendré par les fenestrations de l'endothélium vasculaire, ainsi qu'à une augmentation de la rétention à cause du faible drainage lymphatique. L'effet EPR favorise un ciblage passif notamment l'accumulation de macromolécules et de nanoparticules au sein des tumeurs solides [1]. Le ciblage des tumeurs peut être amélioré par l'utilisation de nanoparticules couplées à des anticorps ou des ligands spécifiques des tissus tumoraux [2]. Grâce à de nombreux travaux, plusieurs formulations anticancéreuses à base de nanoparticules ont été mises sur le marché ou sont en phase clinique de développement. Elles permettent d'augmenter par un ciblage

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Nanoparticules et radiothérapie

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V. Calugaru, N. Magné, J. Hérault, S. Bonvalot, C. Le Tourneau, J. Thariat

Figure 1 En bleu, domaine des nanoparticules utilisées à visée radiosensibilisante propre en radiothérapie (par opposition au champ des nanoparticules utilisées comme vecteurs de médicaments, à l'exemple du nab-paclitaxel)

l'augmentation de la production locale de ROS, électrons secondaires et un éventuel effet PIXE (figure 2) (cf. infra ; en conditions d'irradiation par protons de 45 MeV, rayonnements X secondaires, + 25 % d'efficacité) peuvent contribuer à leurs propriétés radiosensibilisantes. Selon Kim et al., les nanoparticules

métalliques (MNP) sont capables de générer localement des rayons X secondaires par activation avec un faisceau de protons de haute énergie par émission de rayons X sous l'effet de particules chargées (effet PIXE). Une étude in vivo dans des modèles de tumeurs de souris CT26 avec mesure de la

Figure 2

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Effet PIXE, émission de rayons X sous l'effet de particule chargée

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Nanoparticules d'or (GNP) Les nanoparticules à base d'or (GNP) sont les plus largement utilisées en raison de leur petite taille, de leur biocompatibilité et de leur maniabilité en termes de manipulation chimique [3]. Les études de Chithrani et al., 2006, 2007 et 2009 [3,4], sur l'influence de la taille de nanoparticules d'or sphériques sur l'internalisation cellulaire, le transport et la localisation subcellulaire des nanoparticules, suggèrent que les nanoparticules d'or/citrate sont internalisées par voie d'endocytose – récepteur médié – au sein des cellules. La surface initiale des nanoparticules d'or/citrate serait modifiée par les protéines du sérum, ce qui permet aux nanoparticules d'être internalisées par reconnaissance spécifique de ces protéines avec la membrane cellulaire. Les nanoparticules sont systématiquement observées, sous formes de clusters, dans des vésicules de taille de l'ordre de 500 nm dans le compartiment cytoplasmique des cellules. Le maximum d'internalisation est observé pour des nanoparticules présentant une taille de 50 nm. Ces résultats peuvent être expliqués par un mécanisme compétitif qui met en jeu la notion de wrapping time, associé aux caractéristiques de la membrane cellulaire et de cinétique de diffusion des récepteurs sur les sites d'internalisation [4–6]. Quant à leur mode d'action in situ, des simulations Monte Carlo ont été utilisées pour estimer le facteur d'augmentation de dose lié aux GNP [7]. Dans une étude préliminaire, Cho et al. ont évalué cet effet en photonthérapie en kilovoltage (Ir-192 et 140 kV) et mégavoltage (4 et 6 MV). La dose était augmentée d'un facteur 2 en 140 kV à une concentration de 7 mg Au/ gramme de tumeur, alors qu'elle l'était de 1 % à 7 % en 4–6 MV et 5 % à 31 % avec Ir-192. Plusieurs autres études ont suggéré que l'effet était significatif en kilovoltage et qu'une augmentation de la concentration intra-tumorale de nanoparticules, facteur influençant l'efficacité des nanoparticules, pouvant aller jusqu'à 300 fois, est nécessaire à 6 MV pour obtenir une augmentation de dose équivalente à celle obtenue en kilovoltage [8]. La plupart des études ont attribué la radiosensibilisation induite par les nanoparticules à une augmentation de l'absorption de dose par effet photoélectrique avec les matériaux à numéro atomique élevé en photonthérapie en kilovoltage, à basse énergie. La radiosensibilisation observée est moindre en mégavoltage, domaine d'énergies où domine l'effet Compton [9]. Néanmoins, en radiothérapie dite de 4 et 6 MV, l'énergie moyenne des photons est en réalité de 1,5 MeV. Le spectre comporte des photons de plus faible énergie qui peuvent générer un effet photoélectrique. De la même façon, en curiethérapie à l'iridium 192, l'énergie moyenne des photons

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est de 400 keV, mais sont présents des photons de faible énergie qui participent à l'effet photoélectrique. Les GNP activées par les radiations ionisantes par électrons de haute énergie induisent la production d'électrons secondaires de faible énergie et parcours. La production de ces électrons de faible énergie est impliquée dans la radiosensibilisation causée par l'augmentation de l'énergie des radiations ionisantes absorbée par les nanoparticules [10]. Plusieurs études in vitro sur lignées cellulaires on testé l'effet des caractéristiques des nanoparticules et des radiations ionisantes. Une étude sur cellules HeLa a mis en évidence une radiosensibilisation maximale avec des nanoparticules de 50 nm (comparativement à 14 ou 74 nm) à 220 kV dépendant également de la concentration de nanoparticules [11]. Au diamètre des nanoparticules, doit être corrélé le parcours des électrons produits, qui peuvent probablement être partiellement auto-absorbés à 74 nm et être soit optimal pour traverser la nanoparticule ou insuffisant pour produire suffisamment d'effet à 14 nm. Kong et al. ont modifié la surface des GNP pour moduler leur captation in situ et leur fixation aux cellules cancéreuses dans différentes conditions expérimentales [12]. Les GNP modifiées (fonctionnelles) potentialisaient la mort cellulaire dans un modèle de cancers mammaires. Les GNP natives étaient neutres et se liaient passivement aux cellules alors que les GNP fonctionnelles se liaient sélectivement à l'échelon subcellulaire. La pégylation est la modification la plus utilisée mais d'autres méthodes sont possibles. Certaines études in vitro contredisent partiellement les résultats des simulations Monte Carlo, suggérant un effet minimal des nanoparticules à haute énergie, en mégavoltage. McMahon et al. ont montré une augmentation de la radiosensibilité d'un facteur  1,2 sur des lignées MDA-MB-231 avec des photons de 6–15 MV (mesure de la survie clonogénique) [13]. Comme suggéré plus haut, cet effet peut cependant être majoré par modification de la surface des nanoparticules. Par ailleurs, cette radiosensibilisation par des nanoparticules serait spécifique de la lignée cellulaire, comme suggéré par une étude entre deux lignées de cancers du sein triple négatif MDA-MB-231, radiosensibilisée, et de cancer de prostate DU145, non radiosensibilisée malgré une captation des nanoparticules [14]. Par ailleurs, compte tenu du mode de diffusion des nanoparticules, l'effet de la microvascularisation tumorale pourrait avoir un rôle. Le même profil de radiosensibilisation est observé avec une radiosensibilisation plus nette à basse énergie. L'étude pilote in vivo dans des modèles de carcinomes murins de carcinome mammaire EMT6 de Hainfeld évaluait le taux de survie à 1 an après irradiation X à 250 kV de 20 % contre 86 % avec irradiation et de GNP de 2 nm injectées en intra-veineux [15]. Ces observations étaient reproduites dans des lignées radiorésistantes et corroborées par des observations ultérieures d'équipes indépendantes. Une autre étude dans un modèle de

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régression tumorale a montré une augmentation de la dose, en faveur d'un effet PIXE par rapport à une protonthérapie conventionnelle sans MNP en utilisant un faisceau 45 MeV de protons (p < 0,02). Cet effet pourrait être utilisé pour diminuer la dose totale physique prescrite, et ainsi la dose d'entrée.

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Nanoparticules et radiothérapie

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V. Calugaru, N. Magné, J. Hérault, S. Bonvalot, C. Le Tourneau, J. Thariat

glioblastome intracérébral chez des souris suggère un bénéfice de l'association irradiation (30 Gy), et nanoparticules injectées en intra-veineux avec 50 % de survie sans tumeur (> 1 an) contrairement aux souris seulement irradiées [16]. Les données in vitro suggèrent, en revanche, une meilleure efficacité des nanoparticules de 50 nm, mais ne sont pas reproduites in vivo, les données in vivo suggérant qu'une taille de l'ordre de 12 nm serait plus efficace. Une meilleure confrontation des données in vitro et in vivo est cependant requise et nécessite d'étayer les données in vivo. La production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS : HO, O2–, H2O2) radioinduites intracellulaires a été rapportée augmentée après irradiation à 90 kV ou 6 MV dans des lignées de cancer de l'ovaire SKOV-3 et pourrait être un des mécanismes de radiosensibilisation. Une autre hypothèse serait que les nanoparticules aient une interférence directe des nanoparticules avec les molécules du cycle cellulaire. Dans certains modèles de lignées cellulaires, il a été observé une accélération de la phase G1/S et un arrêt en G2/M phase, favorisant une radiosensibilisation [17]. Ces modifications du cycle s'accompagnaient d'une downregulation de p53 et d'une régulation de certaines cyclines. Par ailleurs, l'expression de g-H2AX, témoin de cassures double brin de l'ADN, a été retrouvée plus élevée avec l'association qu'avec une irradiation seule par curiethérapie I-125 dans des cellules HeLa ou nanotubes d'or et photons X de 6 MV dans des lignées A375 de mélanome [18].

Nanoparticules (AgNPs) d'argent Sur la base de propriétés physicochimiques similaires à celles des nanoparticules d'or, des nanoparticules d'argent ont été testées dans plusieurs modèles cellulaires et montré un effet radiosensibilisant. In vivo, des modèles murins de glioblastomes irradiés à 10 Gy en photons de 6 MV et recevant une injection intra-tumorale de nanoparticules était significativement plus élevée, sans toxicité systémique [19]. Les cations Ag+ ont été proposés comme acteurs de la radiosensibilisation par leur potentiel de capture électronique leur conférant une fonction oxydante, de réduction du contenu cellulaire d'ATP et l'augmentation de la production de ROS.

Autres nanomatériaux métalliques

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Le platine a un numéro atomique élevé, proche de celui de l'or, et est utilisé dans les associations de radiochimiothérapie. L'association de nanoparticules de platine avec irradiation par hadronthérapie a montré une potentialisation d'un facteur 2 des dommages de l'ADN, probablement en rapport avec un dépôt d'énergie in situ [20]. À ce jour les nanoparticules à base de gadolinium (GBN) ont été rarement étudiées comme radiosensibilisateurs alors qu'ils ont aussi un Z élevé (Z = 64). Les GBN sont constituées d'un noyau d'oxyde de gadolinium entouré par une écorce de silice et sont fonctionnalisées par des groupes hydrophiles. Comparée

à d'autres nanoparticules, l'utilisation des GBN présenterait déjà un intérêt dans le développement de l'imagerie multi-modalité où les premiers développements cliniques sont en cours. Par ailleurs, les GBN ont démontré leur effet de radiosensibilisation in vitro sur des lignées humaines particulièrement radiorésistantes de glioblastome humain U87 [21] et in vivo dans des greffes de gliosarcome orthotopique chez le rat combinées avec un rayonnement synchrotron [22]. Les GBN ont aussi été testées expérimentalement sur des lignées cellulaires humaines de cancers ORL (SQ20B, FaDu, CAL33) et cellules souches dérivées (SQ20B souches) mais aussi sur modèle orthotopique en association aux radiations photoniques. Dans chacune des situations expérimentales, un effet synergistique a été obtenu et dont les premiers mécanismes moléculaires et cellulaires explorés montreraient l'impact des GBN sur le blocage de la réparation des cassures double brins de l'ADN, le blocage des cellules en phase G2/M mais aussi une inhibition de la prolifération accrue impactant au final plus de mort cellulaire [23]. Ces premiers résultats expérimentaux confirmeraient ainsi le potentiel de l'utilisation des GBN comme puissants radiosensilisants mais il conviendra aussi d'en poursuivre un développement étape par étape en ne négligeant pas les toxicités potentielles. Des études précliniques ont également été conduites avec le bismuth. Ces études ont montré une radiosensibilisation plus importante par rapport à des nanoparticules d'or ou de platine par le biais d'électrons Auger, dont un effet maximal peut être attendu lorsque le dépot se fait à proximité du noyau. Des nanoparticules composites à base de titanate/dioxyde de titane (titane Z 22) ont également été utilisées sous forme de tubes [24].

État des lieux des essais cliniques en cours Une recherche sur le site du NCI clinicaltrials.gov avec une recherche nanoparticule et radiothérapie montre une majorité d'essais avec le nab-paclitaxel, la nanoparticule servant à vectoriser la substance dans des cancers du sein 4, ORL 4, pancréas 3, mélanome 1, rectum 1, prostate 1, poumon 2 et seulement quatre sans vectorisation dont deux avec des nanoparticules d'oxyde d'hafnium NBTXR3, à visée radiosensibilisante. Il est à noter que le nab-paclitaxel est approuvé par la FDA et l'EMEA pour le traitement des cancers mammaires et ovariens. Les résultats d'une phase I réalisée à Gustave-Roussy dans les sarcomes des tissus mous opérables sponsorisée par Nanobiotix ont été rapportés à l'ASCO 2014 [24] Les nanoparticules d'oxyde d'hafnium (NBTXR3, Nanobiotix), nanomatériaux radiosensibilisants sélectifs cristallins à haute densité électronique permettent d'augmenter le dépôt de dose à l'intérieur des cellules tumorales lors de l'exposition à la radiothérapie. Les patients ont reçu une injection intra-tumorale (IT) de NBTXR3 (escalade des volumes), suivi de radiothérapie (50 Gy) pré-opératoire. L'objectif principal était la faisabilité/toxicité de l'implantation. Les critères secondaires étaient l'efficacité évaluée par RECIST et

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par l'incidence et la sévérité des effets secondaires cliniques et biologiques), la réponse objective globale, le taux de réponse complète (selon RECIST Response Evaluation Criteria in Solid Tumors), le volume tumoral mesuré par la captation (radioopaque) de NBTXR3, la survie sans échec local, la survie sans progression, la pharmacocinétique de NBTXR3 (à j1 et 2), la durée et le nombre des injections, et la dispersion intra-tumorale de NBTXR3. Une chirurgie de rattrapage est possible en fonction de la réponse.

Discussion L'efficacité radiosensibilisante des nanoparticules dépend à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques (taille, Z, pharmacocinétique etc.), de leurs conditions d'administration (injection, concentration etc.) et des caractéristiques physiques des rayonnements ionisants utilisés. L'effet de leur taille, avec un maximum d'efficacité à 50 nm in vitro, mais à des tailles inférieures dans des modèles animaux, reste à démontrer en clinique. L'effet de concentration et la possibilité de les administrer par des voies autres qu'intratumorale sont démontrés in vitro et dans des modèles animaux. Une forte captation tissulaire (rapportée comme de l'ordre 170 migrogrammes/106 cellules à 2 mg/mL, 200 mg/kg de concentration dans des expériences précliniques, ou à une concentration tissulaire de 50 microgrammes/gramme de tissu sur modèles animaux) est également un paramètre déterminant de leur efficacité. Des phases I seront nécessaires en clinique pour établir les modalités d'administration optimales en fonction des situations cliniques. Le mode d'action physique de la radiosensibilisation est dépendant de paramètres en fonction de l'énergie des rayonnements ionisants. L'efficacité, par radiosensibilisation, des nanoparticules semble prédominer dans des conditions où l'effet photoélectrique prédomine, c'est-à-dire en orthovoltage/kilovoltage (kV). Lors d'un effet photoélectrique, l'intégralité de l'énergie du photon incident est transférée à un électron (fortement lié au noyau atomique) arraché à une couche interne d'un atome, le réarrangement électronique qui s'ensuit entraîne l'émission soit d'un photon dit de « fluorescence », soit d'un électron Auger. L'effet photoélectrique dépend fortement du numéro atomique Z de l'atome, de l'énergie du photon incident et de la force de liaison au noyau de l'électron ensuite éjecté sous l'effet du photon incident. L'effet photoélectrique est maximal pour une énergie du photon suffisant à éjecter l'électron puis décroît rapidement à des énergies supérieures. Cet effet libère préférentiellement les électrons des couches les plus internes puis ceux des couches superficielles. Les couches restant vacantes sont alors potentiellement occupées par des électrons quittant leurs couches supérieures en perdant de l'énergie et en émettant des électrons Auger de faible énergie en cascade. La taille des nanoparticules permet généralement aux électrons Auger, de faibles énergie et parcours, d'atteindre la

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la réponse histologique, la rétention de NBTXR3 pendant l'irradiation et l'opérabilité. La faisabilité de l'injection de volumes croissants d'une suspension de NBTXR3 (de 2,5 % à 20 % du volume tumoral théorique ; calculé sur la base de ses 3 dimensions) a été confirmée sur 20 patients. La persistance de NBTXR3 après la radiothérapie a été objectivée par un scanner avant l'intervention chirurgicale avec une dispersion satisfaisante. Aucun événement indésirable grave n'a été noté et tous les patients ont pu recevoir le traitement complet. Au palier 20 % du volume tumoral injecté, les deux patients ont eu une douleur locale estimée grade 3. Ce volume a donc été considéré comme non réalisable dans les études ultérieures qui sont prévues. Aux paliers précédents, les toxicités de grades 1–2 étaient liées à une douleur ou réaction à l'injection (4 pts), une fébricule (2 pts), des douleurs abdominales (1 pt), un prurit (1 pt) ou des paresthésies (1 pt). Le palier retenu dans les études ultérieures est donc 10 %. À ce volume, la diminution médiane du volume tumoral était de 49 % et la réponse histologique appréciée sur la pièce opératoire montrait un taux médian de 26 % de cellules viables. Une injection unique de NBTXR3 fournit une biodisponibilité adéquate sur cinq semaines de radiothérapie. Aucune fuite de NBTXR3 pour les tissus sains adjacents n'a été observée, et la circulation systémique observée sur la PK était minime. NBTXR3 avec la radiothérapie a un bon profil de sécurité. Des signes encourageants d'activité anti-tumorale ont été observés dans différents sous-types de sarcomes tels que le sarcome indifférencié, le rhabdomyosarcome et le sarcome synovial. Une étude randomisée comparant la radiothérapie pré-opératoire à un bras investigationel comportant l'injection de NBTXR3 (10 % volume tumoral) avant la radiothérapie est prévue prochainement. Une autre étude sponsorisée par Nanobiotix NCT01946867 (NBTXR3-102) évalue l'effet de nanoparticules cristallines d'hafnium NBTXR3 en concomitant avec la radiothérapie dans des cancers ORL localement avancés de l'oropharynx et de la cavité buccale. Cette étude est en cours avec un recrutement prévu de 48 patients entre 2013 et 2016 à l'Institut Curie. L'hypothèse est que NBTXR3 (injecté le jour précédant le début de la radiothérapie) et la radiothérapie (70 Gy) peuvent avoir un effet synergique de mort cellulaire et améliorer les taux de réponse tumorale tout en préservant les structures impliquées dans les fonctions de déglutition chez des patients de plus de 65 ans, non éligibles pour recevoir du cisplatine (donné comme radiosensibilisant en intra-veineux mais ayant pour effet secondaire une toxicité rénale). L'objectif est de déterminer les doses recommandées et maximales tolérées avec deux modes d'administration (intra-artérielle ou intra-tumorale), en association avec une radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT). Il sera ainsi vérifié l'hypothèse d'une meilleure distribution intra-tumorale des nanoparticules en cas d'injection artérielle par rapport à une injection intra-tumorale en cas de nécrose tumorale. Les autres objectifs sont l'innocuité et la tolérance (mesurées

Synthèse

Nanoparticules et radiothérapie

Synthèse

V. Calugaru, N. Magné, J. Hérault, S. Bonvalot, C. Le Tourneau, J. Thariat

surface de la structure nanoparticulaire dans l'environnement cellulaire immédiat. La densité électronique des tissus mous et l'énergie de liaison des électrons des couches internes étant faibles par rapport aux tissus riches en nanoparticules, à quelques centaines de kilovolts, cet effet contribue à augmenter plus substantiellement l'absorption d'énergie par unité de masse (ou dose) en conditions de concentration in situ de nanoparticules que dans les tissus mous (effets de dose différentiel). La gamme d'énergies est minoritaire en radiothérapie clinique. Elle pourrait être utilisée dans certaines modalités de curiethérapie ou de contacthérapie (X ray brachytherapy). Dans des conditions de mégavoltage, l'effet Compton prédomine (l'énergie d'un photon incident est transmise à un électron (faiblement lié au noyau atomique) arraché à une couche périphérique d'un atome, ou à un électron libre, et à un photon dit « diffusé » qui perd lentement son énergie sur un parcours relativement long) mais le spectre comporte des particules de faible énergie contribuant à un effet photoélectrique. L'effet observé en mégavoltage dans les gammes d'énergie courantes en routine, est proportionnellement assez faible comparativement aux conditions d'orthovoltage et par rapport à l'effet global d'absorption d'énergie par unité de masse en mégavoltage. Cependant, à des énergies élevées (MV), la quantité de photons et électrons (ayant des parcours de l'ordre de dizaines de nanomètres) secondaires de faible énergie peut être considérable. Ainsi, un effet photoélectrique ou passant par la production d'électrons Auger, est également possible en conditions d'irradiation en mégavoltage. Usami et al. ont suggéré que les nanoparticules ne sont pas nécessairement dans le noyau de la cellule pour déclencher une augmentation significative de la mort cellulaire. Il n'y aurait pas d'amélioration du dépôt d'énergie par les particules incidentes, mais une transmission de l'énergie des électrons secondaires (le long de la trace) aux électrons Auger émis par les atomes de Z élevé et la production de ROS dans un volume nanométrique [25]. Néanmoins, pour obtenir un effet radiosensibilisant significatif se traduisant par une majoration observable cliniquement de l'effet anti-tumoral, il peut être nécessaire d'augmenter la concentration intratumorale de nanoparticules et d'utiliser une méthode optimisant

la distribution intra-tumorale. Deux modalités sont envisageables soit une injection intra-vasculaire à des concentrations élevées (mais à risque de toxicité au-delà d'un certain seuil) ou en intratumoral dans des indications sélectionnées, une étude de phase I en cours (NBTXR3-102) se propose de comparer aussi deux modalités d'administration de nanoparticules intra-tumorale versus intra-artérielle. Dans le cadre d'un traitement de protonthérapie, l'utilisation d'une haute énergie du pic de Bragg protons combiné avec un effet PIXE généré par MNP, ou un effet PIXE seul, peut donner lieu à de nouvelles options de traitement pour les tumeurs très infiltrantes. La tolérance clinique des nanoparticules dans des conditions d'irradiation évoquées fait l'objet de plusieurs essais thérapeutiques dans divers modèles tumoraux.

Conclusion Les nanoparticules issues des nanotechnologies ont des propriétés physicochimiques qui leur confèrent un avantage en oncologie en termes d'efficacité et de toxicité. Les développements technologiques actuels dans ce domaine cherchent précisément à tirer avantage de ces nouvelles propriétés, souvent uniques. Une meilleure compréhension des concepts des réponses biologiques des nanoparticules est nécessaire pour élaborer et administrer des nanoparticules en toute sécurité. Ainsi, toute essai clinique qui expérimente des nanoparticules doit compter un volet de nanovigilance pour évaluer l'innocuité immédiate du produit, mais aussi sa toxicité, voir sa génotoxicité à plus ou moins long terme après l'administration. Leur association avec la radiothérapie est un champ dont le développement s'est accéléré dans les dernières années avec quelques résultats cliniques prometteurs. La compréhension des mécanismes de radiosensibilisation est encore incomplète et dépendante de l'énergie des radiations ionisantes avec des applications en curiethérapie et kilovoltage mais aussi en mégavoltage en photons ou hadronthérapie selon des conditions optimales à définir. Plusieurs essais cliniques sont en cours qui permettront dans les années de cadrer les modalités et domaines d'application avec la radiothérapie. Déclaration d'intérêts : les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d'intérêts en relation avec cet article.

Références [1]

[2]

90

[3]

Maeda H, Wu J, Sawa T, Matsumura Y, Hori K. Tumor vascular permeability and the EPR effect in macromolecular therapeutics: a review. J Control Release 2000;65(1–2):271–84. Torchilin VP. Passive and active drug targeting: drug delivery to tumors as an example. Handb Exp Pharmacol 2010;197:3–53. Mesbahi A. A review on gold nanoparticles radiosensitization effect in radiation therapy

[4]

[5]

of cancer. Rep Pract Oncol Radiother 2010;15 (6):176–80. Chithrani BD, Chan WCW. Elucidating the mechanism of cellular uptake and removal of protein-coated gold nanoparticles of different sizes and shapes. Nano Lett 2007;7 (6):1542–50. Chithrani BD, Ghazani AA, Chan WCW. Determining the size and shape dependence of

[6]

[7]

gold nanoparticle uptake into mammalian cells. Nano Lett 2006;6(4):662–8. Chithrani DB. Intracellular uptake, transport, and processing of gold nanostructures. Mol Membr Biol 2010;27(7):299–311. Lechtman E, Mashouf S, Chattopadhyay N, Keller BM, Lai P, Cai Z, et al. A Monte Carlobased model of gold nanoparticle radiosensitization accounting for increased radiobiological

tome 102 > n81 > janvier 2015

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

tome 102 > n81 > janvier 2015

[14] Jain S, Coulter JA, Hounsell AR, Butterworth KT, McMahon SJ, Hyland WB, et al. Cellspecific radiosensitization by gold nanoparticles at megavoltage radiation energies. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2011;79(2):531–9. [15] Hainfeld JF, Slatkin DN, Smilowitz HM. The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice. Phys Med Biol 2004;49(18):N309–15. [16] Hainfeld JF, Smilowitz HM, O'Connor MJ, Dilmanian FA, Slatkin DN. Gold nanoparticle imaging and radiotherapy of brain tumors in mice. Nanomed 2013;8(10):1601–9. [17] Roa W, Zhang X, Guo L, Shaw A, Hu X, Xiong Y, et al. Gold nanoparticle sensitize radiotherapy of prostate cancer cells by regulation of the cell cycle. Nanotechnology 2009;20 (37):375101. [18] Ngwa W, Korideck H, Kassis AI, Kumar R, Sridhar S, Makrigiorgos GM, et al. In vitro radiosensitization by gold nanoparticles during continuous low-dose-rate gamma irradiation with I-125 brachytherapy seeds. Nanomed Nanotechnol Biol Med 2013;9(1):25–7. [19] Liu P, Huang Z, Chen Z, Xu R, Wu H, Zang F, et al. Silver nanoparticles: a novel radiation sensitizer for glioma? Nanoscale 2013;5 (23):11829–36. [20] Porcel E, Liehn S, Remita H, Usami N, Kobayashi K, Furusawa Y, et al. Platinum

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

nanoparticles: a promising material for future cancer therapy? Nanotechnology 2010;21 (8):85103. Mowat P, Mignot A, Rima W, Lux F, Tillement O, Roulin C, et al. In vitro radiosensitizing effects of ultrasmall gadolinium-based particles on tumour cells. J Nanosci Nanotechnol 2011;11(9):7833–9. Le Duc G, Miladi I, Alric C, Mowat P, BräuerKrisch E, Bouchet A, et al. Toward an imageguided microbeam radiation therapy using gadolinium-based nanoparticles. ACS Nano 2011;5(12):9566–74. Miladi I, Aloy M-T, Armandy E, Mowat P, Kryza D, Magné N, et al. Combining ultrasmall gadolinium-based nanoparticles with photon irradiation overcomes radioresistance of head and neck squamous cell carcinoma. Nanomed Nanotechnol Biol Med 2014. Mirjolet C, Papa AL, Créhange G, Raguin O, Seignez C, Paul C, et al. The radiosensitization effect of titanate nanotubes as a new tool in radiation therapy for glioblastoma: a proof-ofconcept. Radiother Oncol 2013;108(1):136–42. Usami N, Furusawa Y, Kobayashi K, Lacombe S, Reynaud-Angelin A, Sage E, et al. Mammalian cells loaded with platinum-containing molecules are sensitized to fast atomic ions. Int J Radiat Biol 2008;84(7):603–11.

91

[8]

effectiveness. Phys Med Biol 2013;58(10): 3075–87. Lechtman E, Chattopadhyay N, Cai Z, Mashouf S, Reilly R, Pignol JP. Implications on clinical scenario of gold nanoparticle radiosensitization in regards to photon energy, nanoparticle size, concentration and location. Phys Med Biol 2011;56(15):4631–47. Jain S, Hirst DG, O'Sullivan JM. Gold nanoparticles as novel agents for cancer therapy. Br J Radiol 2012;85(1010):101–13. Zheng Y, Hunting DJ, Ayotte P, Sanche L. Radiosensitization of DNA by gold nanoparticles irradiated with high-energy electrons. Radiat Res 2008;169(1):19–27. Chithrani DB, Jelveh S, Jalali F, van Prooijen M, Allen C, Bristow RG, et al. Gold nanoparticles as radiation sensitizers in cancer therapy. Radiat Res 2010;173(6):719–28. Kong T, Zeng J, Wang X, Yang X, Yang J, McQuarrie S, et al. Enhancement of radiation cytotoxicity in breast-cancer cells by localized attachment of gold nanoparticles. Small 2008;4(9):1537–43. McMahon SJ, Hyland WB, Muir MF, Coulter JA, Jain S, Butterworth KT, et al. Nanodosimetric effects of gold nanoparticles in megavoltage radiation therapy. Radiother Oncol 2011;100(3):412–6.

Synthèse

Nanoparticules et radiothérapie