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Characterizing cells resistant to treatments is a major issue in research on breast cancer (BC). Tumor plasticity characterized by cancer stem cells (CSCs) existence and processes of epithelial-mesenchymal transition (EMT), leads to tumor heterogeneity and takes part in the genesis of cancer cells harboring specific tumorigenic and cell death resistance properties. In BC, the lack of expression of the membrane protein CD24 is a feature of CSCs and EMT-generated cells. Although being a crucial marker in BC, CD24 precise functions along oncogenesis and its role in treatment resistance remain largely unknown. This thesis work focuses mainly on CD24 role as a player in treatment resistance of BC. In the first part of my work, we have shown that forced extinction of CD24 in mammary epithelial cancer cells is sufficient to increase resistance to radiations and diverse drugs. This resistance is linked to the ROS level modulation. Indeed, the loss of CD24 expression drives a decrease in mitochondrial mass and functions, leading to a disminished intracellular ROS level, which participates in radio- and chemoresistance of BC cells. Moreover, our results show that CD24- cells express mainly epithelial markers, but also show an increase of mesenchymal markers and aldehyde dehydrogenase activity. In the litterature, these features define cells with a hybrid E/M phenotype, and considered, since they exhibit strong stem characteristics, as the most plastic and tumorigenic cells. In the second part of my work, we initiated a transcriptome study to better understand CD24 role in tumor progression and treatment resistance. The first results indicate that the loss of CD24 could be linked to a higher motility of cells. Those results are of utmost importance since the development of such a model of hybrid E/M cells can facilitate the discovery of new targets to fight against treatment failure.; La caractérisation de cellules résistantes aux traitements à l’origine des récidives et rechutes est un enjeu majeur de la recherche contre les cancers du sein. La plasticité tumorale, caractérisée par l’existence des cellules souches cancéreuses (CSC) et des processus de transition épithélio-mésenchymateuse (TEM), est à l’origine de l’hétérogénéité intratumorale et participe à la formation de cellules cancéreuses aux propriétés de tumorogénicité et de résistance à la mort cellulaire singulières. Dans les cancers du sein, l’absence d’expression de la protéine membranaire CD24 caractérise les CSCs et les cellules générées par la TEM. Malgré le fait que CD24 soit un marqueur important des cancers du sein, ses fonctions précises au cours de la cancérogenèse ainsi que son éventuel rôle dans la résistance aux traitements, restent très mal définis.Ce travail de thèse s’intéresse particulièrement au rôle de la protéine CD24 dans les cancers du sein en tant qu’acteur de la résistance thérapeutique. Dans la première partie de mon travail, nous avons montré que la perte artificielle de l’expression de CD24 dans les cellules cancéreuses épithéliales mammaires entraîne à elle seule une augmentation de la résistance à aux radiations et à différentes drogues anticancéreuses. Cette résistance apparait associée à la modulation du niveau d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). En effet, la perte d’expression de CD24 entraîne une diminution de la masse et des fonctions mitochondriales à l’origine d’une baisse du niveau de ROS intracellulaire ce qui participe à la radio- et chimiorésistance des cellules. De plus, nos résultats montrent que les cellules CD24- expriment majoritairement des marqueurs épithéliaux (E) tout en présentant une augmentation de l’expression des marqueurs mésenchymateux (M) ainsi que de l’activité aldéhyde déshydrogénase (ALDH). Dans la littérature, ces caractéristiques définissent des cellules de phénotype hybride E/M qui sont considérées comme les cellules les plus plastiques et tumorigènes car fortement enrichies en propriétés souches. Dans la deuxième partie de mon travail, nous avons initié une étude transcriptomique afin de mieux comprendre le rôle de CD24 dans la progression tumorale et la résistance aux traitements. Les premiers résultats obtenus indiquent que la perte de CD24 semble liée à l’acquisition de propriétés migratoires. L’ensemble de ces résultats sont d’autant plus importants que le développement d’un modèle de cellules hybrides E/M permet d’étudier de nouvelles cibles pour lutter contre l’échec thérapeutique.

The use of high-Z nanoparticles to enhance radiotherapy effects has gained momentum over the last decade. Historically, as nanoparticles increase tumor density, they were thought to improve radiation dose by locally increasing the probability of interactions with ionizing radiations. Local dose enhancement is then associated with increased oxidative stress and DNA damage. Therefore, radiosensitization with nanoparticles could impair radioresistance as well as improve therapeutic index. Radiotherapy is a cornerstone of breast cancer treatment. However, mammary tumors are heterogeneous and comprise distinct populations of cancer cells that respond differently to treatments. Cancer stem cells (CSC) and epithelial to mesenchymal transition (EMT) are major factors contributing to cancer cells plasticity, tumor heterogeneity, and escape from programmed cell death (apoptosis). In breast cancer, both CSC and cells undergoing EMT are characterized by the expression of two surface markers CD24 and CD44 (CD24-/low, CD44 high). This work aims to evaluate the efficiency of high-Z nanoparticles of different nature (gold, platinum), different size (from 5 to 35 nm) and different surface charge (positive and negative) as potent radiosensitizer on several breast cancer models of different epithelial or mesenchymal state. As no significant change could initially be observed in vitro following the combination of nanoparticles with radiation compared to radiation alone, I gain insight on the influence of physical, chemical and biological parameters required for characterizing radio-enhancement. Among them, I focused on improving the diffusion of nanoparticles and their internalization in tumor cells. I showed that nanoparticles uptake by breast cancer cells was depending on their mesenchymal state: nanoparticle internalization by cancer cells is dramatically increased in mesenchymal-like cancer cells compared to epithelial-like cells across a panel of several breast cancer cell lines. Importantly this discrepancy was not affected by the charge, size or surface chemistry of the nanoparticles themselves. This strongly suggests a cell-dependent mechanism, in opposition to the current paradigm that nanoparticles uptake is mainly governed by their inherent physical/chemical properties. This study emphasized the importance of membrane and extracellular structures in nanoparticle recognition and preferential interaction with cells. Our results are of peculiar interests as the identification of genes or mechanisms facilitating nanoparticles accumulation into radioresistant cancer cells could further conception of promising therapeutic nanoparticles.; L’utilisation de nanoparticules de haut numéro atomique pour potentialiser les effets de la radiothérapie fait l’objet de nombreux travaux de recherches. Historiquement, l’intérêt porté à ces nanoparticules repose sur un principe d’action physique : en densifiant la matière, les nanoparticules localisées dans une tumeur augmentent localement la probabilité d’interaction des rayonnements ionisants avec celle-ci. L’augmentation de la dose délivrée localement serait alors associée à un stress oxydatif et à une augmentation des lésions de l’ADN. Ainsi la radio-sensibilisation liée aux nanoparticules permettrait d’une part de lutter contre la radio-résistance et d’autre part d’améliorer l’index thérapeutique. La radiothérapie constitue l’un des piliers du traitement du cancer du sein. Néanmoins, les tumeurs mammaires sont hétérogènes et plusieurs sous populations coexistent avec des sensibilités différentes aux traitements. Les cellules souches cancéreuses (CSC) et le processus de transition épithélio-mésenchymateuses (TEM) contribuent principalement à cette hétérogénéité et confèrent aux cellules tumorales des propriétés de plasticité, de tumorogénicité et de résistance à la mort cellulaire. Dans le cas particulier du cancer du sein, les cellules issues de la TEM et les cellules souches cancéreuses partagent un même phénotype surfacique caractérisé par la perte d’expression de la protéine membranaire CD24 et la surexpression de CD44. Ce travail de thèse vise à évaluer l’efficacité de nanoparticules métalliques de nature (or, platine), de taille (5 à 35 nm) et de charges (positives, négatives) différentes comme agents potentialisateurs des effets de l’irradiation sur des modèles de tumeurs mammaires aux statuts épithélio-mésenchymateux différents. Face à la difficulté à mettre en évidence un effet biologique significatif du double traitement in vitro, j’ai cherché à comprendre quels paramètres physiques, chimiques et biologiques sont nécessaires pour observer l’effet radiosensibilisant. L’un des principaux enjeux a été de parvenir à une bonne diffusion des nanoparticules au sein des tumeurs. Pour comprendre les mécanismes, nous avons comparé la réponse transcriptomique de cellules cancéreuses mammaires, au fond génétique commun mais de phénotype épithélial ou mésenchymateux (triées selon leur niveau d’expression CD24/CD44), exposées à un groupe de nanoparticules de composition physico-chimique différente de manière à s’affranchir d’un l’effet qui serait spécifique à une nanoparticule. L’analyse du transcriptome souligne l’importance des structures membranaires et extracellulaires dans la reconnaissance et l’interaction préférentielle des nanoparticules avec les cellules mésenchymateuses. Ces résultats sont d’autant plus importants que l’identification de gènes et de mécanismes clés favorisant l’accumulation de nanoparticules dans les cellules cancéreuses les plus résistantes aux traitements devrait permettre d’améliorer la conception de nouvelles nanoparticules à haut potentiel thérapeutique.

The only demonstrated etiologic factor for thyroid cancer is an exposure to ionizing radiation (IR) during childhood. Epidemiological studies can measure a significant risk to develop a cancer following thyroid doses above 50 mGy. This risk is observed after external exposure to high doses/dose rates (radiotherapy) and after contamination of iodine radioisotopes at lower doses.As the risk decreases with the dose, if radiation-induced cancers (R) develop after thyroid doses, Le seul facteur étiologique démontré pour le cancer de la thyroïde est une exposition aux radiations ionisantes (RI) durant l’enfance. Les études épidémiologiques mesurent un risque significatif de développer un cancer suite à l’exposition pour une dose reçue à la thyroïde d’au minimum 50 mGy, le risque étant proportionnel à la dose. Ce risque est observé après une exposition externe à fortes doses/débits de dose (radiothérapie) et après une contamination à de plus faibles doses de radioisotopes de l’iode. Si des cancers radio-induits (R) se développent à des doses

The present work focuses on nanoparticles and their great skills for oncology therapies. Two kinds of nanoparticles have been studied in order to biologically validate and characterize their features. The use of hydrogenated Nanodiamonds (H-NDs) as radio sensitizer is based on a physic-chemical postulate where they act as oxidative stress generator through interaction with irradiation. Thus we validated this hypothesis in radio resistant kidney and breast cancer cell lines and identify senescence as the main pathway after co-treatment with H-NDs and irradiation. Metal organic frameworks are also of particular interest for drug delivery because of their very important loading capacities. Here we demonstrate the biocompatibility of the empty compounds in four lung and hepatic cancer cell lines, a main point before their involvement in drug delivery strategies. Finally, following international guidelines encouraging to make animal testing more ethic, we developed a new 3D cell culture mimicking mucinous lung adenocarcinoma. This well characterized model will be used for the study of cancer development and drug screening.; Ce travail de thèse s’inscrit dans un contexte d’explosion des nanoparticules et de leur très grand potentiel pour des applications en cancérologie. Ainsi, deux classes de nanoparticules ont été étudiées afin de valider et de caractériser biologiquement ce potentiel. Premièrement les Nanodiamants hydrogénés (H-NDs) dont l’interaction avec les photons de l’irradiation comme générateur de stress oxidatif était au cœur du postulat physico-chimique. Nous avons non seulement validé cette hypothèse dans plusieurs lignées cellulaires de cancer du rein et du sein notamment, insensibles aux doses d’irradiation étudiées ; mais également identifié la sénescence comme étant la voie activée par le double traitement H-NDs et irradiation. Les Solides hybrides poreux sont également des matériaux prometteurs grâce à leur haut pouvoir d’encapsulation de molécules actives. Nous avons ainsi démontré l’absence de toxicité de ces composés seuls dans quatre lignées de cancer du poumon et du foie, élément essentiel avant d’envisager leur utilisation, chargés avec des principes actifs. Enfin, à l’heure où la réglementation internationale encourage le développement et l’utilisation de modèles alternatifs à l’expérimentation animale, nous avons mis au point un modèle de culture tridimensionnelle d’adénocarcinome mucosécrétant de poumon. Il est utilisé pour l’étude de la progression tumorale ainsi que pour la découverte de nouvelles molécules de chimiothérapie.

This work focuses on the characterization of radiation-resistant breast cancer cells, responsible for relapse after radiotherapy. The “Cancer Stem Cells” (CSC) theory describes a radiation-resistant cellular sub-population, with enhanced capacity to induce tumors and proliferate. In this work, we show that only the CSC marker CD24-/low defines a radiation resistant cell population, able to transmit the “memory” of irradiation, expressed as long term genomic instability in the progeny of irradiated cells. We show that CD24 is not only a marker, but is an actor of radiation-response. So, CD24 expression controls cell proliferation in vitro and in vivo, and ROS level before and after irradiation. As a result, CD24-/low cells display enhanced radiation-resistance and genomic stability. For the first time, our results attribute a role to CD24-/low CSCs in the transmission of genomic instability. Moreover, by providing informations on tumor intrinsic radiation-sensitivity, CD24- marker could help to design new radiotherapy protocols.; Ce travail de thèse s’inscrit dans la caractérisation des cellules radiorésistantes des cancers du sein, à l’origine des rechutes après traitement par radiothérapie. La théorie des « Cellules Souches Cancéreuses » (CSC) place une sous-population cellulaire présentant une capacité accrue à induire des tumeurs et à proliférer au centre de la résistance à l’irradiation. Au cours de ce travail, nous avons montré que seul le marqueur de CSC CD24-/low permettait de définir une sous population radiorésistante, capable de transmettre une « mémoire » de l’irradiation se traduisant par une instabilité génétique persistante dans la descendance des cellules irradiées. En outre, nous avons montré que CD24 n’est pas uniquement un marqueur, mais bien un acteur de la réponse à l’irradiation. Ainsi, CD24 contrôle la prolifération cellulaire in vitro et in vivo, ainsi que les niveaux de ROS avant et après irradiation. L’ensemble de ces propriétés aboutit à une sensibilité réduite des cellules CD24-/low à l’irradiation γ, ainsi qu’à une baisse de l’instabilité génétique. Ces résultats permettent pour la première fois d’attribuer un rôle aux CSC CD24-/low dans la transmission de l’instabilité chromosomique. De plus, en apportant des informations pour évaluer la radiorésistance intrinsèque des tumeurs mammaires, le marquage CD24 pourrait contribuer à l’amélioration des protocoles de radiothérapie.

The radon gas is a well known lung carcinogenic factor in human at high doses but the cancer risk at low doses is not established. Indeed, epidemiological studies at low doses are difficult to conduct because of the human exposure to other lung carcinogenic factors. These data underlined the necessity to conduct experiments on lung tumors developed on animal model.The aim of this work was to characterize rat lung tumors by working on a series of radon-induced tumors that included adenocarcinomas (AC), squamous cell carcinomas (SCC) and adenosquamous carcinomas (ASC), that are mixed tumors with both AC and SCC cellular components. A CGH analysis of the three types of tumors allowed us to define chromosomal recurrent unbalances and to target candidate genes potentially implicated in lung carcinogenesis, as p16Ink4a, p19Arf, Rb1, K-Ras or c-Myc. A more precise analysis of the p16Ink4a/Cdk4/Rb1 and p19Arf/Mdm2/Tp53 pathways was performed and indicated that the Rb1 pathway was frequently inactivated through an absence of p16Ink4a protein expression, indicating that it has a major role in rat lung carcinogenesis. Finally, a comparative transcriptomic analysis of the three types of tumors allowed us to show for the first time that the complex tumors ASC have a transcriptomic profile in accordance with their mixed nature but that they also display their own expression profiles specificities.This work allowed us to find molecular characteristics common to murin and human lung tumors, indicating that the model of lung tumors in rat is pertinent to search for radiation-induced lung tumors specificities and to help for a better molecular identification of this type of tumors in human., Le radon est un carcinogène pulmonaire avéré chez l'homme à fortes doses mais l'existence d'un risque de cancer à faibles doses n'est pas établie car les approches épidémiologiques se heurtent, à ce niveau de doses, à de nombreux facteurs confondants. Ces données soulignent la nécessité de disposer d'un modèle d'étude des tumeurs pulmonaires chez l'animal. Le but de ce travail de thèse est de caractériser, sur le plan moléculaire, une série de tumeurs pulmonaires radon-induites chez le rat qui comprend des adénocarcinomes (AC), des carcinomes épidermoïdes (Sq) et des carcinomes adénosquameux (ASq) formés des composantes cellulaires AC et Sq. Une analyse cytogénétique globale de ces tumeurs par la technique de CGH a permis de définir des déséquilibres récurrents de régions chromosomiques, sur lesquelles ont été ciblés des gènes candidats potentiellement impliqués dans le développement des tumeurs, comme p16Ink4a, p19Arf, Rb1, K-Ras ou c-Myc. Une analyse plus précise des voies p16Ink4a/Cdk4/Rb1 et p19Arf/Mdm2/Tp53 a été menée et a permis de mettre en évidence une inactivation fréquente de la voie Rb1, par la perte d'expression de la protéine p16Ink4a, indiquant que cette voie joue un rôle majeur dans le développement de ces tumeurs pulmonaires. Enfin, une analyse transcriptomique comparative des trois types de tumeurs induites a révélé que les tumeurs complexes ASq ont un profil d'expression génique qui reflète leur nature composite mais qu'elles présentent également des spécificités. L'ensemble de ce travail à mis à jour des caractéristiques moléculaires communes aux tumeurs pulmonaires murines et humaines qui encouragent à poursuivre l'étude des spécificités des tumeurs pulmonaires radio-induites chez le rat pour aider à une meilleure caractérisation de ces tumeurs chez l'homme.