Cancer cells destruction by magneto-mechanical vibrations of micro/nano magnetic particles : Design of magnetic particles by top-down approach, biofunctionalization and in vitro tests

Dans les prochaines années, les traitements des maladies graves (cancer, pathologies du cerveau, etc) pourraient fortement bénéficier des progrès en science des matériaux et des nanotechnologies. Du point de vue médical, il est bien connu que les cellules cancéreuses ont tendance à développer des résistances aux chimiothérapies dont les effets secondaires limitent considérablement l'efficacité des traitements. Pour ces raisons, la recherche de thérapies alternatives ciblant les cellules cancéreuses sans affecter les tissus sains est actuellement l'un des domaines les plus actifs de recherche sur le cancer. Dans ce contexte, les nanoparticules magnétiques reçoivent un intérêt croissant pour diverses applications biomédicales allant du diagnostic au traitement ciblé. En effet, grâce à leur possibilité d'actionnement contrôlé à distance par des champs magnétiques externes, les particules magnétiques ont la capacité d'exercer des forces ou couples localisés sur des espèces biologiques ciblées.Ce travail de thèse décrit une approche basée sur l'action mécanique de particules magnétiques bio-fonctionnalisées sur des cellules cancéreuses. Lorsque ces particules sont liées aux cellules cancéreuses, l'application d'un champ magnétique alternatif externe induit l'oscillation des particules, qui transmet alors une force mécanique aux cellules cancéreuses.Les particules magnétiques utilisées pour cette application ont fait l'objet d'un long développement. Contrairement aux particules magnétiques conventionnelles synthétisées par des voies chimiques (« bottom-up »), les particules étudiées dans cette thèse ont été spécialement conçues par des techniques développées pour la micro/nanoélectronique (« top-down »). Ainsi, deux types de particules magnétiques ont été comparés ; des particules antiferromagnétiques synthétiques (SAF) constituées d'empilements de couches magnétiques et des microparticules constituées d'une couche magnétique unique avec une configuration de vortex magnétique.Une fois ces particules mises en solution, les phénomènes d'auto-polarisation qui contribuent à l'agglomération / dispersion de ces particules par les interactions magnétostatiques ont été comparés, ainsi que les couples mécaniques que ces deux types de particules magnétiques peuvent générer sur les cellules cancéreuses lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique externe.Bien que les particules SAF génèrent de plus grands couples, remplacer les constituants de l'empilement magnétique par des matériaux biocompatibles reste délicat, ce qui n'est pas le cas de leurs homologues en vortex magnétique, facilement réalisables avec des oxydes de fer.En exploitant les propriétés des vortex magnétiques en NiFe, nous avons développé une approche pour la destruction ciblée des cellules cancéreuses du carcinome rénal humain. Les tests menés in-vitro montrent que ce stimulus magnéto-mécanique créé deux effets dramatiques : une diminution significative du taux de cellules cancéreuses vivantes, et l'initiation du processus d'apoptose (ou mort cellulaire programmée) et ce, en appliquant de faibles valeurs de champs (~100 Oe c'est-à-dire 10mT) à de très faibles fréquences (~ 20 Hz). Des études pour la quantification de la mort cellulaire par cytométrie en flux ont été menées. Les résultats déjà obtenus bien qu'au stade « preuve de concept » sont très encourageants pour le futur des nouvelles thérapies du cancer.In the coming years, the treatment of serious diseases (cancer, brain diseases, etc.) could benefit more intensely from advances in materials science and nanotechnology. From the medical point of view, it is well known that cancer cells tend to develop resistance to chemotherapy, and the side effects encountered seriously limit the effectiveness of treatments. For these reasons, the search for alternative therapies that target cancer cells without affecting healthy tissues is currently one of the most active areas of research on cancer. In this context, magnetic nanoparticles are receiving an increasing interest in a variety of applications ranging from biomedical diagnostic to targeted treatments. Indeed, due to their remote actuation by external magnetic fields, the magnetic particles have the ability to locally perform actuations on targeted biological species.This thesis describes an approach based on interfacing cancer cells with bio-functionalized magnetic particles. When these particles are bound to the cancer cells, applying an external alternating magnetic field induces the particles oscillations, which then transmits a mechanical stress to the cancer cells.For this application, specific magnetic particles were prepared. Unlike conventional magnetic particles made by chemical routes ("bottom-up"), the particles studied in this thesis have been specially designed by techniques used in micro / nanoelectronics ("top-down"). Thus, two types of magnetic particles were compared; synthetic antiferromagnetic particles (SAF) consisting of magnetic multilayer stacks and microparticles consisting of a single magnetic layer with a magnetic vortex configuration.Once these particles released in a solution, the self-polarization phenomenon that contributes to the agglomeration / dispersion of these particles by magnetostatic interactions were compared for both types of particles as well as the mechanical torques that they can exert on cancer cells when subjected to an external magnetic field.Although SAF particles generate higher torques, finding biocompatible materials that may replace the constituents of the magnetic stack remains difficult, while vortex-particles would be easier to make in magnetic iron oxides.By exploiting the properties of NiFe magnetic vortices, we have developed an approach for the targeted destruction of the human renal carcinoma cells. The tests launched in vitro show that the magneto-mechanical stimulus creates two dramatic effects: a significant decrease in the rate of alive cancer cells, and the initiation of the apoptosis (programmed cell death). These results were achieved by applying low field values (~ 100 Oe i.e.10mT) at low frequencies (~ 20 Hz). Studies for the quantification of cell death by flow cytometry were conducted. The results already obtained even at the stage of "proof of Concept" are very encouraging for new perspectives of cancer therapies