Nanoformulation et évaluation thérapeutique d'un nouveau complexe bioorganométallique à fort potentiel antitumoral pour le cancer ovarien – NaTeMOc

L'étude des organométalliques occupe une place de choix dans la chimie moléculaire depuis le milieu du siècle dernier. À son apogée, le nombre et la variété des fonctions organométalliques découvertes étaient prodigieux, incluant par exemple les carbonyles métalliques, les alkyles métalliques, les acyles métalliques et les métallocènes. Ces recherches ont donné lieu à une révolution au niveau de l’étude des interactions entre la chimie organométallique et les systèmes biologiques. Cependant, le développement de nouveaux groupes fonctionnels est encore attendu. C'est ce que nous avons réalisé avec la découverte des quinones méthides dérivées des ferrocifènes, dotées de multiples propriétés biologiques, dont une activité anticancéreuse, agissant via l'apoptose et/ou la sénescence pour inhiber la thiorédoxine réductase dans les cellules souches cancéreuses. Il a également été montré que, selon la nature des sous-éléments, celles-ci étaient capables d'inhiber la cathepsine B, une cystéine peptidase, proposée pour participer à l'apoptose. Le motif redox [ferrocényl-ène-phénol] reste à ce jour le candidat le plus prometteur sur le plan biologique, grâce à son activité multiforme. Ce motif évolue par oxydation réversible du ferrocifène pour donner des quinones méthides à réactivité électrophile sélective, et interagit au sein de la cellule cancéreuse avec des composants de l'environnement local tels que la thiorédoxine réductase. C'est le comportement biologique de ces espèces qui est étudié ici pour la première fois.
La transition entre les études in vitro et in vivo représente toujours un défi important dans le développement d'une molécule, et c'est particulièrement vrai dans le cas des ferrocifènes. Leur forte lipophilie est un avantage lors des tests in vitro car elle permet aux molécules de traverser f acilement la membrane cellulaire, elle-même lipophile, mais devient problématique in vivo. La faible solubilité des ferrocifènes dans les milieux physiologiques empêche leur administration par la voie intraveineuse fréquemment utilisée pour les anticancéreux ; de plus, le phénol, dont la demi-vie dans le sang est très courte, est très rapidement éliminé par l'organisme.
Pour surmonter ces difficultés, une formulation de nanocapsules lipidiques (LNC) a été développée, constituée d'un noyau lipidique (triglycérides) dans lequel le principe actif est soluble, entouré d'un tensioactif lipidique (Lipoïd) et d'une couche de PEG-HS (hydroxystéarate de polyéthylène glycol) qui assure l'interface entre la phase lipidique et la phase aqueuse. Les LNC ainsi obtenues peuvent être injectées dans du sérum physiologique ; de plus, le choix judicieux du PEG permet d'obtenir des LNC furtives qui ne sont pas détectées par les macrophages et restent donc plus longtemps dans la circulation sanguine. Les LNC encapsulant les ferrocifènes seront étudiées sur des modèles in vivo de PDX, en combinaison avec divers traitements anticancéreux classiques.

Sur plus de 300 ferrocifènes synthétisés, les ferrocifènes-succinimides (P722) brevetés par Feroscan sont les plus prometteurs en termes d’efficacité sur certaines lignées cellulaires cancéreuses résistantes grâce à une bonne stabilisation de la quinone méthide (QM), métabolite-clé obtenu par oxydation du ferrocifène initial. Comme pour les 1ers composés, la génération de ces QM s’accompagne de la production d’espèces oxygénées réactives (ROS) qui peuvent être délétères pour les cellules cancéreuses. Enfin, la QM obtenue pourrait réagir avec des espèces nucléophiles, abondamment présentes dans le milieu cellulaire, comme la thioredoxine réductase, enzyme contribuant à un dysfonctionnement du système redox de la cellule. L’hypothèse à l’étude serait l’augmentation de la biodisponibilité des ROS à la suite de l’inhibition par les ferrocifènes de la thiorédoxine réductase, surexprimée dans les cancers.
Six ferrocifènes-succinimides ont été encapsulés avec succès dans les LNC. Quelle que soit la charge en ferrocifène, des formulations monodisperses ont été obtenues avec un diamètre de 50 nm. De plus, pour deux d’entre eux, un gel composé de LNC a été obtenu, dépendant de la charge initiale introduite, phénomène jamais été observé avec des LNC de ferrocifènes, qui sera étudié en rhéologie. Un composé pégylé (le DSPE-PEG2000) a été post-inséré à la surface des LNC, afin d'obtenir des LNC furtives stables dans le temps. Deux peptides pénétrant les cellules et ciblant spécifiquement la lignée cellulaire cancéreuse ovarienne SKOV3, le TLS et le WSG, seront ajoutés à la surface des LNC via la post-insertion d’un nouveau composé pégylé (DSPE-PEG-Maleimide) suivie d’une réaction de type « click chemistry » avec les peptides modifiés.
Par rapport aux résultats préliminaires présentés dans l’appel à projet avec un 1er ferrocifène (le P53), l’effet biologique des LNC furtives avec une nouvelle concentration a été évalué sur un modèle de PDX OV21, avec une dose en carboplatine et en paclitaxel réduite, dans le but de réduire l’effet de la chimiothérapie classique. Les résultats obtenus ont montré que les LNC blanches et de LNC-P53 furtives à différentes concentrations n’avaient aucun effet significatif sur le développement tumoral. En revanche, l’association de la chimiothérapie aux LNC furtives de P53 a amélioré significativement l’effet de la chimiothérapie globale. Les résultats obtenus ont montré que l’association chimiothérapie + LNC furtives de P53 améliorait significativement la survie prédite comparé au groupe chimiothérapie seule. Ces expériences in vivo ont été renouvelées avec les LNC P722 (molécule « phare » du projet) et ont montré des résultats encore plus prometteurs. Sur le modèle OV21, le traitement chimiothérapie associé aux LNC P722 est significativement plus efficace que le traitement chimiothérapie seule. Sur 7 souris, 2 ont montré une réponse complète au traitement, résultat très encourageant qu’il faudra confirmer.

Le cancer épithélial de l'ovaire de haut grade reste l'une des tumeurs malignes les plus meurtrières. Malgré une réponse initiale aux traitements, de nombreux patients deviennent résistants et finissent par mourir. Par conséquent, il existe un besoin majeur de trouver des thérapies efficaces en tant qu'agents uniques ou en combinaison avec les chimiothérapies standard. Dans les perspectives proches, l'étude des mécanismes précis des ferrocifènes est prévue. L'augmentation possible de la biodisponibilité des ROS à la suite de l’inhibition de la thioredoxine réductase est une voie très prometteuse dans l'action anti-cancéreuse de nos composés. En effet, il existe des preuves irréfutables que la régulation redox joue un rôle essentiel dans les tumeurs malignes.
En combinant des analyses protéomiques, métabolomiques et bioergénétiques, deux sous-groupes moléculaires de tumeurs ont été identifiés, les low- et high-OXPHOS (OXidative PHOSphorylation). Alors que les low-OXPHOS présentent un métabolisme glycolytique, les high-OXPHOS présentent un stress oxydatif chronique. L'impact positif du stress oxydatif sur la chimiosensibilité et le pronostic du cancer de l'ovaire a été mis en évidence. Les propriétés redox des LNC de ferrocifènes permettraient d’augmenter le niveau de ROS dans un environnement de stress oxydatif. Cet effet peut conduire à deux conséquences opposées : alors que le stress oxydatif peut favoriser la croissance tumorale, il peut améliorer la réponse au traitement en sensibilisant les cellules tumorales aux agents chimiothérapeutiques, tels que le ferrocifène lui-même, ce que l'on appelle l'effet paradoxal des ROS. Les ferrocifènes ayant une approche multi-cible grâce à l'activité de la quinone méthide (sénescence, apoptose, mort cellulaire immunogène...), les chances de succès seront augmentées malgré cette dualité.
Des modèles précliniques pertinents seront donc justifiés pour : i) discriminer les meilleures combinaisons de traitements, ii) préciser le mécanisme d'action, et iii) définir des marqueurs prédictifs et pronostiques de réponse et de résistance. Pour réduire autant que possible l'écart entre les tumeurs humaines et les modèles précliniques, les xénogreffes dérivées de patients (PDX) représentent l'un des meilleurs modèles. Par conséquent, suite aux expériences in vivo réalisées sur des PDX, l'expression génomique et l'expression des gènes par array, y compris la réponse à la chimiothérapie standard (carboplatine +/- paclitaxel) seront disponibles. Diverses questions seront abordées : (i) la toxicité, (ii) la comparaison des nanoformulations, (iii) l'efficacité dose-dépendante, (iv) l'efficacité antitumorale des combinaisons avec les chimiothérapies standard, et (v) la détermination des marqueurs prédictifs de réponse et de résistance (à l'aide d'analyses RNAseq). Cette approche multidisciplinaire pourrait permettre de surmonter une sérieuse résistance aux verrous dans des cancers ovariens.

Dans revues à comité de lecture :
1. Revue dans CANCERS :
Idlas, P.; Lepeltier, E.; Jaouen, G.; Passirani, C. Ferrocifen Loaded Lipid Nanocapsules: A Promising Anticancer Medication against Multidrug Resistant Tumors. Cancers 2021, 13, 2291. doi.org/10.3390/cancers13102291
2. En cours : publication physicochimie (Journal visé : LANGMUIR)
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Pigeon, P. ; Jaouen, G. ; Passirani, C. Physico-chemical characterization of ferrocifen loaded lipid nanocapsules : different drug delivery systems depending on succinimido-ferrociphenol structure.
3. En cours : publications résultats in vivo sur P53 et P722 avec Institut Curie (Journal visé : CANCERS ou IJP)
Idlas, P. ; Ladaycia, A. ; Nemati, F ; Lepeltier, E ; Jaouen, G ; Decaudin D ; Passirani C. Ferrocifen LNC and classical chemotherapies : a promising combination against multidrug resistant ovarian adenocarcinoma.

Communications internationales :
1. Poster SFNano Angers :
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Pigeon, P. ; Jaouen, G. ; Passirani, C. Physico-chemical characterization of ferrocifen loaded lipid nanocapsules : different drug delivery systems depending on succinimido-ferrociphenol structure.
2. Oraux APBP Vienne et SFNano Angers :
Ladaycia A ; Nemati, F ; Lepeltier, E ; Jaouen, G ; Decaudin D ; Passirani C. Evaluation of in vivo efficacy of ferrocifen loaded lipid nanocapsules on ovarian cancer (05/2021) - 12th World meeting on Pharmaceutics, Biopharmaceutics and pharmaceutical technology
3. Flash communication COST Stratagem CA17104 :
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Jaouen, G. ; Passirani, C. Formulation of ferrocifen loaded lipid nanocapsules against multidrug resistant ovarian adenocarcinoma

Communications france :
1. Poster Cancéropôle Grand Ouest
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Jaouen, G. et al. Nanocapsules lipidiques, chargées en ferrocifènes, pour le traitement du cancer épithélial de l’ovaire.
2. Flash communication de la SFR ICAT (Université d’Angers)
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Jaouen, G. ; Passirani C. Formulation de nanocapsules lipidiques chargées en ferrocifènes pour le traitement du cancer épithélial de l’ovaire.
3. Flash communication et poster de l’AECCPCM (association des enseignants chercheurs de chimie physique et chimie minérale)
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Jaouen, G. ; Passirani C. Nanocapsules lipidiques, chargées en ferrocifènes, pour le traitement du cancer épithélial de l’ovaire.
4. Poster workshop Nanomed (master 2 Erasmus Mundus, Angers)
Idlas, P. ; Lepeltier, E. ; Jaouen, G. et al. Formulation of ferrocifens loaded nanocapsules against multidrug resistant ovarian adenocarcinoma.
5. Oral workshop Nanomed (master 2 Erasmus Mundus, Angers)
Ladaycia A ; Nemati, F ; Lepeltier, E ; Jaouen, G ; Decaudin D ; Passirani C. In vivo efficacy of ferrocifen loaded lipid nanocapsules on PDX models of ovarian cancer

Les ferrocifènes ont démontré des propriétés anticancéreuses par un mécanisme original, dépendant des propriétés redox et de la formation de métabolites actifs ciblant les enzymes mitochondriales. Cependant, ces molécules sont insolubles en milieu aqueux, et requièrent une étape de formulation afin de pouvoir être administrées in vivo : les nanocapsules lipidiques (LNC) ont déjà démontré leur capacité à encapsuler avec un excellent rendement de nombreuses substances actives hydrophobes, comme les ferrocifènes, et offrent également l’option d’être modifiées en surface, permettant ainsi de moduler leur comportement pharmacologique. Des études récentes ont mis en évidence l'impact positif du stress oxydant et du métabolisme oxydatif sur la chimiosensibilité et le pronostic des patientes souffrant de cancers de l'ovaire. Par conséquent, les adénocarcinomes ovariens sont un excellent modèle pour définir l'impact des ferrocifènes encapsulés dans les LNC, comme nouveaux médicaments thérapeutiques anti-cancéreux. NanoMetOv a mis en place une approche unique qui rassemble un consortium de trois équipes de recherche complémentaires, une entreprise innovante et deux laboratoires universitaires distingués: (i) le laboratoire MINT (Partenaire 1) labellisé INSERM/CNRS coordonnera le projet, spécialisé dans les nanomédicaments anticancéreux et où la première formulation de composés ferrocifènes a été réalisée avec succès, (ii) l’entreprise Feroscan (Partenaire 2), qui détient le brevet des ferrocifènes, fondé sur le travail initial effectué à Chimie ParisTech et (iii) le Laboratoire d’Investigation Préclinique (Partenaire 3) qui a développé des modèles de cancer animaux pertinents et possède une expertise reconnue en pharmacologie in vivo. L'objectif de NanoMetOv est d’effectuer de la recherche fondamentale de pointe dans un contexte majeur pour la santé publique. Ce projet aura également une valeur cognitive importante, en chimie, en nanomédecines, ainsi qu’en biologie, grâce à la synthèse de composés chimiques novateurs, à la formulation de vecteurs de troisième génération et à la mise en évidence d’une forme inédite de métabolisme cancéreux.