Université de Tel Aviv, UHJ, Ichilov : un nano-capteur pour illuminer et retirer les métastases
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Rachel Blau, Yana Epshtein et Evgeni Pisarevsky, doctorants au laboratoire du Prof. Ronit Satchi-Fainaro à l’Université de Tel-Aviv, ont développé un capteur intelligent à l’échelle nanométrique qui allume une lumière fluorescente en présence de cellules cancéreuses, avec un niveau de précision sans précédent.
Cette étude a été financée par l’Union européenne (ERC), la Fondation nationale des Sciences d’Israël, le ministère des Sciences et l’Association pour la lutte contre le cancer.
Ce capteur innovant permet de retirer la tumeur dans son intégralité avec un minimum de dommages pour les tissus sains, et sans laisser de cellules malignes susceptibles de métastaser, augmentant ainsi de le pourcentage de survie et les chances de guérison des patients.
Ont également participé le Prof. Doron Shabat de l’École de chimie de l’Université de Tel-Aviv et le Prof. Galia Blum de la Faculté de médecine de l’Université Hébraïque de Jérusalem (UHJ), le Prof. Zvi Ram et le Dr. Rachel Grossman du département de neurochirurgie de l’hôpital Ichilov de Tel-Aviv (Sourasky Medical center).
« Nous nous sommes basés sur une étude antérieure, dans laquelle nous avions découvert que certaines tumeurs se caractérisaient par une augmentation de l’expression d’enzymes appelées cathepsines », explique le Prof. Satchi-Fainaro. « Ces enzymes, que l’on retrouve en quantité bien moindre également dans les cellules saines ont la propriété d’identifier et de couper une séquence particulière d’acides aminés (qui sont les blocs de construction des protéines). Nous avons utilisé cette fonctionnalité pour construire un capteur intelligent qui identifie et marque les cellules cancéreuses. »
Des chances de survie doublées
Comment ça marche ? Les chercheurs ont produit des nanoparticules de polymère, constituées de la même séquence d’acides aminés que celle que les cathepsines savent couper. Ces particules ont été attachées à des marqueurs fluorescents faits de molécules de colorant cyanine (Cy). « Lorsque les molécules de cyanine sont maintenues ensemble dans la particule de polymère, les ondes lumineuses qu’elles émettent s’annulent mutuellement, et elles restent sombres », explique le Prof. Satchi-Fainaro.
« Mais une fois que la nanoparticule atteint une cellule cancéreuse, le polymère est coupé par les cathepsines, libérant les molécules de cyanine, qui deviennent fortement fluorescentes. En revanche, dans le tissu sain environnant, le polymère n’est pas coupé, et la zone reste sombre. La frontière entre la zone éclairée (tumeur) et la sombre (cellules saines) est donc très clairement visible pour l’œil ». Cela signifie que le capteur intelligent a une sensibilité élevée – il détecte toutes les cellules cancéreuses, et également une grande sélectivité – il ne marque pas les cellules saines. De cette façon, il informe le chirurgien de l’emplacement des cellules cancéreuses en temps réel, c’est-à-dire pendant la chirurgie elle-même, avec un niveau de sensibilité plus élevé que les dispositifs d’imagerie existant actuellement.
En première étape, les chercheurs ont vérifié l’existence et la surexpression de l’enzyme qui fait fonctionner le capteur dans des tissus prélevés sur des patients en cours d’opération. Puis, ils ont vérifié leurs hypothèses sur des souris de laboratoire. Les résultats ont été probants : les opérations réalisées avec le nouveau capteur ont doublé les chances de survie à la maladie.
En outre, le nouveau dispositif a été comparé à deux capteurs actuellement en essais cliniques en salles d’opération. On a pu constater que ses niveaux de sensibilité et de sélectivité sont plus élevés, et qu’il s’allume beaucoup plus rapidement. Sur un plan pratique, cela signifie que le patient n’a pas besoin d’être hospitalisé la veille et qu’on peut lui injecter le capteur seulement 4 heures avant la chirurgie.
« Nous avons enregistré un certain nombre de brevets pour ce projet », conclut le Prof. Satchi-Fainaro, « et nous sommes à présent en train de négocier avec plusieurs sociétés pharmaceutiques afin de progresser vers des essais cliniques, et par la suite de fabriquer des quantités commerciales. Nous croyons que notre capteur intelligent peut conduire à une amélioration substantielle des résultats des opérations de retrait des tumeurs cancéreuses, et augmenter de manière significative les chances des patients de survivre à la maladie . »
Auteur : Sivan Cohen-Wiesenfeld, PhD, Rédac’chef de la newsletter Université de Tel-Aviv/AFAUTA
Publication dans Theranostics, le 21 juin 2018
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A new Tel Aviv University study explores a novel smart probe for image-guided surgery that may dramatically improve post-surgical outcomes for cancer patients.
In many kinds of cancers, it is often not the primary malignant tumor, but rather metastasis — the spread of lingering cancer cells to other parts of the body — that kills patients. A multidisciplinary team led by Prof. Ronit Satchi-Fainaro of the Department of Physiology and Pharmacology at TAU’s Sackler Faculty of Medicine created a smart probe that, when injected into a patient a few hours prior to surgery to excise a primary tumor, may help surgeons pinpoint where the cancer is situated down to several cancer cells, permitting them to guarantee the removal of more cancer cells than ever before.
« In cases of melanoma and breast cancer, for example, the surgeon may believe he/she has gotten everything — that he/she has excised the entire tumor and left the remaining tissue free of cancer. Even if only a few cells linger after surgery, too few or too small to be detected by MRI or CT, recurrence and metastasis may occur, » Prof. Satchi-Fainaro says. « Our new technology can guide the surgeon to completely excise the cancer. »
Making cancer cells « glow in the dark »
The new technique harnesses near-infrared technology to identify the cancer cells. « The probe is a polymer that connects to a fluorescent tag by a linker. This linker is recognized by an enzyme called cathepsin that is overproduced in many cancer types, » says Prof. Satchi-Fainaro. « Cathepsin cleaves the tag from the polymer and turns on its fluorescence at a near-infrared light. »
The smart probes may potentially be used to guide the surgeon in real time during tumor excision. The surgeon can also avoid cutting out any « non-glowing » healthy tissue.
The scientists first examined the effect of the probe in the lab on regular healthy skin and mammary tissue, and then on melanoma and breast cancer cells. They subsequently used mouse models of melanoma and breast cancer to perform routine tumor excision surgeries and smart probe-guided surgeries.
« The mice that underwent regular surgery experienced recurrence and metastasis much sooner and more often than those who underwent our smart probe-guided surgery, » says Prof. Satchi-Fainaro. « Most importantly, those which experienced the smart probe surgery survived much longer. »
Decreasing the need for additional surgery
« The probe may also reduce the need for repeated surgeries in patients with cancer cells that remain in the edges of removed tissue, » Prof. Satchi-Fainaro says. « Altogether, this may lead to the improvement of patient survival rates. »
« We are currently designing and developing additional unique polymeric Turn-ON probes for the purpose of image-guided surgery. They can be activated by additional analytes such as reactive oxygen species (ROS), which are overproduced in cancer tissues, or by using other chemiluminescent probes. We are always looking at ways to improve sensitivity and selectivity which are paramount to cancer patients’ care. »
The scientists who conducted the research for the study included Rachel Blau, Yana Epshtein and Evgeni Pisarevsky, all students in Prof. Satchi-Fainaro’s TAU lab. The research is based on long-term collaboration with Prof. Doron Shabat of TAU’s School of Chemistry, Prof. Galia Blum of the Hebrew University in Jerusalem, and clinicians Prof. Zvi Ram and Dr. Rachel Grossman of the Department of Neurosurgery at Tel Aviv Medical Center. This work was supported by the ERC Consolidator Award, the Israeli National Nanotechnology Initiative (INNI), Focal Technology Area (FTA) program: Nanomedicine for Personalized Theranostics, the Leona M. and Harry B. Helmsley Nanotechnology Research Fund, the Israel Science Foundation and the Israel Cancer Association.
Publication in Theranostics on June 21, 2018
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