Delivery of a bioluminescent transgene to a tumor via bone marrow engraftment : control and imaging of gene expression by non invasive local hyperthermia

Les thérapies géniques et cellulaires ouvrent de nouvelles perspectives pour le traitement de pathologies très diverses. Cependant, l’adressage à un organe cible, le contrôle non invasif de l’expression d’un transgène et le suivi par imagerie constituent encore des défis majeurs pour le développement de ces approches thérapeutiques. L’utilisation d’un vecteur cellulaire modifié génétiquement pour exprimer un transgène spécifique semble une solution prometteuse mais il convient aussi de restreindre l’expression du transgène à la région cible et de contrôler l’expression génique dans le temps. Pour le contrôle spatio temporel de l’expression, nous proposons une approche in vivo originale qui consiste à placer le gène thérapeutique sous le contrôle d’un promoteur thermo-inductible et à contrôler l’expression par une hyperthermie localisée induite à l’aide d’Ultrasons Focalisés guidés par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM) de température (MRgHIFU).La stratégie expérimentale consiste à générer une souris chimère par greffe de moelle osseuse. La souris donneuse est une souris transgénique qui exprime le gène rapporteur bioluminescent de la luciférase Firefly (lucF) et le gène rapporteur fluorescent de la protéine mPlum sous le contrôle du promoteur thermosensible Hsp70a1b. La souris receveuse est une souris congénique prétraitée au Busilvex® pour créer une aplasie médullaire. Deux mois après, le pourcentage de greffe est déterminé par cytométrie de flux puis une tumeur sous-cutanée est induite sur la patte arrière gauche des souris par injection sous-cutanée de cellules tumorales (Carcinoma Mouse Tumor: CMT-93). Pendant la période de croissance tumorale (1 mois) les processus physiologiques conduisent au recrutement des cellules sanguines circulantes dans la zone péri-tumorale sans expression des transgènes. L’activation du promoteur Hsp70 est alors réalisée en créant une hyperthermie locale par MRgHIFU. L’IRM permet d’obtenir des cartes thermiques utilisées pour asservir un générateur d’ultrasons et pour contrôler le chauffage (45°C, 8 min, +/- 1°C). L’expression de la lucF est détectée in vivo 6 H après chauffage par imagerie de bioluminescence (BLI) alors que l’expression de la protéine mPlum est révélée 30 H après chauffage par imagerie de fluorescence par réflectance (FRI). A la suite de l’imagerie, les souris sont sacrifiées et une analyse histologique de la tumeur et des tissus périphériques est réalisée grâce à l’expression de la protéine mPlum. Les gènes rapporteurs lucF et mPlum sont exprimés après thermo-induction principalement par les macrophages de la souris chimère et l’expression intervient, comme attendu, dans les zones péri-tumorales chauffées. Parfois, l’expression des gènes rapporteurs est détectée dans des zones non ciblées et résulte de l’expression par les progéniteurs myéloïdes situés au niveau de la moelle osseuse en réponse à l’échauffement des os par les ultrasons.Nous avons ainsi pu démontrer in vivo la faisabilité de l’approche thérapeutique proposée et mis en évidence certaines limites de la procédure expérimentale essentiellement inhérentes à la taille du modèle animal et aux méthodes physiques utilisées pour l’activation in vivo du transgène.Nous proposons également une stratégie in vivo afin d’évaluer les performances de la tomographie moléculaire de fluorescence 3D pour suivre in vivo, le devenir d’une nano-émulsions fluorescentes (LNP) chez des souris porteuses de tumeurs intracrâniennes.Gene and cell therapies offer new perspectives for the treatment of various pathologies. However, the efficiency of the delivery method to targeted organs, the control of gene expression and imaging gene expression remain major challenges for the development of these therapeutic approaches. The combination of a cell vector and a gene modification of this vector to express a specific transgene seems a promising strategy. But even addressed, it remains very difficult to restrict and control gene expression to the target region in time and space. That is why we investigate an in vivo strategy to deliver transgenes under the transcriptional control of a thermosensitive promoter and induce “on demand” expression by local hyperthermia using Magnetic Resonance guided High-Intensity Focused Ultrasound (MRgHIFU).This strategy consisted of engraftment of transgenic bone marrow cells (BMC) to create a chimera. The donor mouse was a transgenic mouse expressing the firefly luciferase (lucF) and the fluorescent reporter of the mPlum protein under the transcriptional control of the thermosensitve promoter Hsp70a1b. The mouse receiver was a congenic mouse pre-treated with Busilvex® to induce medular aplasia. Engraftment efficiency was measured 2 months later by flux cytometry, after which a tumor was implanted on the left leg of mice by subcutaneous injection carcinoma mouse tumor-93 cells. During tumor growth (1 month) circulating blood cells accumulated in and around the tumor as part of an inflammatory process without transgene expression. Local activation of the thermosensitive promoter Hsp70 was induced by hyperthermia using MRgHIFU. MRI temperature maps were used to provide feedback to an ultrasound generator and to control heating (45°C, 8 min, +/-1°C). The expression of lucF was detected by in vivo imaging of bioluminescence (BLI) 6 H after heating while mPlum expression was revealed by fluorescence that appeared 30 H post heating. After imaging, mice were sacrified and immunohistochemical analysis on tumors and tissues performed to identify mPlum expressing cells. Local heating of tumors induced expression of transgenes placed under control of the Hspa1b promoter in bone marrow-derived cells. Most of these cells remained in the vicinity of or within the tumor as both luciferase activity 6 H and mPlum fluorescence 30 H post-heating were concentrated at the tumor site. LucF and mPlum expression were caracterized in vivo and in vitro. In some cases, unexpected signal appear in non-heated specific areas corresponding to bone. Histology revealed the presence of mPlum in tumor macrophages and bone marrow myeloid progenitors. Having demonstrated the feasibility of this approach, our results also reveal some limits of these approaches that are inherent to the size of the animal model and the physical methods for in vivo activation of the transgene. We now propose an in vivo strategy to evaluate the performances of 3D fluorescent molecular tomography to follow in vivo the presence of intracerebral tumors in nude mice by using a fluorescent nano-emulsion (LNP)