Bioevaluation of aza-BODIPYs versatility for cancer NIR-II fluorescence imaging and Boron Neutron Capture Therapy application

L’imagerie de fluorescence dans le NIR-II (1000 – 17000 nm) s’est développée depuis une vingtaine d’années. Avec une diffusion de photons limitée et une autofluorescence des tissus diminuée, l'imagerie NIR-II surpasse l'imagerie NIR-I (700-900 nm), en fournissant des images in vivo plus nettes, et un rapport signal/bruit amélioré. Depuis son émergence, plusieurs fluorophores NIR-II ont été décrits, mais aucun d'entre eux n'est évalué en essais cliniques actuellement en raison de leurs toxicités potentielles à long terme, de leurs faibles rendements quantiques ou de leurs faibles solubilités. Dans ce contexte, nous avons cherché à concevoir et évaluer des fluorophores évitant ces pièges et présentant des propriétés adaptées à l'imagerie tumorale NIR-II. Un premier dérivé d’aza-BODIPY soluble possédant des propriétés de fluorescence NIR-II uniques a ainsi été développé. Chez le rongeur, il présente une forte accumulation dans les glioblastomes, sans toxicité, avec des ratios tumeur/muscle élevés : ces propriétés lui confèrent donc un grand potentiel pour l'application clinique.L’étude de son mécanisme d’accumulation tumorale a démontré son interaction avec les lipoprotéines de la circulation sanguine. Ces interactions améliorent les propriétés de fluorescence de l'aza-BODIPY et lui assurent un transport spécifique aux tumeurs surexprimant les récepteurs des lipoprotéines (LDLR et SR-B1). En parallèle, pour cibler les tumeurs possédant une faible expression de ces récepteurs, telles que les tumeurs ovariennes HER2-positives, l'aza-BODIPY a été couplé à un anticorps spécifique de HER, le Trastuzumab. Un ciblage sélectif des tumeurs HER2 positives a été réalisé in vivo en utilisant Trastuzumab bioconjugué aza-BODIPY fournissant ainsi une preuve de concept de la stratégie de vectorisation développée pour le ciblage tumoral, quelle que soit l'expression des récepteurs lipoprotéiques.De par leur polyvalence et leurs propriétés d’accumulation tumorale, les aza-BODIPYs ont également été utilisés pour transporter des atomes de bore vers les tumeurs, en perspective à la thérapie par capture neutronique du bore (BNCT). La BNCT est une modalité radiothérapeutique ciblée basée sur l'accumulation sélective d'atomes de bore-10 dans les tissus tumoraux, suivie d'une exposition à un flux de neutrons qui conduit à la destruction spécifique des cellules tumorales chargées en bore. Il est actuellement nécessaire de développer de nouveaux composés riches en bore possédant un profil de sécurité approprié, une délivrance de bore sélective et adéquate, et des propriétés d'imagerie intrinsèques qui permettent sa quantification et une planification optimale du protocole thérapeutique. À cette fin, nous avons développé un composé théranostique basé sur le fluorophore aza-BODIPY couplé à un composé de bore utilisé en clinique, à savoir le borocaptate de sodium (BSH). Le complexe aza-BODIPY-BSH cible les tumeurs avec des ratios tumeur/muscle favorables à la BNCT. Une réduction significative de la croissance tumorale in ovo a été mesurée après exposition aux neutrons, par rapport à la BSH seule, démontrant l'efficacité du complexe aza-BODIPY-BSH dans des modèles tumoraux précliniques en BNCT. De plus, ce composé peut être modifié afin d’intégrer un radio-isotope permettant sa visualisation et sa quantification par imagerie nucléaire (TEP ou TEMP). Cette étape sera évaluée prochainement pour un potentiel transfert en clinique.De manière générale, ces résultats ont démontré la grande polyvalence des aza-BODIPYs et leur fort potentiel pour la chirurgie guidée par l’imagerie optique NIR-II, et la thérapie par BNCT.Twenty years ago, fluorescence imaging in the NIR-II window (1000-1700 nm) has emerged. Providing less photon scattering and diminished tissues autofluorescence, NIR-II imaging has surpassed NIR-I imaging (700-900 nm), resulting in clearer images in vivo, with enhanced signal-to-noise ratio. Since its emergence, several NIR-II fluorophores have been reported, yet none of them passed to clinical assessment due to long-term toxicities, low quantum yields or poor solubilities. In this context, we aimed to design and evaluate NIR-II emitting fluorophores avoiding these pitfalls and exhibiting suitable properties for NIR-II tumor imaging in vivo. Accordingly, the first water-soluble aza-BODIPY possessing unique NIR-II fluorescence properties was developed. A favorable accumulation in glioblastoma tumors was observed in rodents, with high tumor to muscle ratios and no adverse events, presenting the aza-BODIPY great potential for clinical NIR-II tumor imaging application. Assessing the aza-BODIPY mechanism of tumor uptake proved its interaction with lipoproteins in the blood circulation. Lipoproteins enhanced the aza-BODIPY fluorescence properties, and acted as trojan horses targeting the aza-BODIPY specifically towards tumors overexpressing lipoproteins receptors. In parallel, to target tumors possessing low lipoprotein receptors expression, as HER2-positive ovarian tumors, the aza-BODIPY was coupled to HER-specific antibody i.e. Trastuzumab. A selective targeting of HER2 positive tumors was achieved in vivo using Trastuzumab bioconjugated aza-BODIPY thus providing a proof of concept of the developed vectorization strategy to target tumors, regardless of their lipoprotein receptors expression.Considering the high versatility of the aza-BODIPYs, it was also used to carry boron atoms to tumors, for Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). BNCT defines a targeted radiotherapeutic modality based on the sufficient and selective boron-10 atoms accumulation in tumor tissues, followed by neutron field exposure, that leads to the specific destruction of boron-loaded tumor cells. Regardless of BNCT clinical efficacy, there was a need for a boron-rich compound possessing suitable safety profile, selective and adequate boron delivery, and intrinsic imaging properties that allow its quantification and optimal planning of neutron radiation dosing. To this end, we developed a theranostic boron compound based on the aza-BODIPY fluorophore coupled to the clinically used boron compound i.e. sodium borocaptate (BSH). The aza-BODIPY-BSH complex targeted the tumors with BNCT favorable tumor to muscle ratios, as visualized by fluorescence imaging. A significant reduction in tumor growth in ovo was measured following neutron exposure, compared to BSH alone, demonstrating the BNCT efficacy of aza-BODIPY-BSH complex in preclinical tumor models. Coupling the aza-BODIPY-BSH compound to radioisotopes, that allow accurate quantification, is currently under evaluation for potential human translation. Altogether these findings demonstrated the high versatility of aza-BODIPY and its great potential for clinical NIR-II tumor imaging and BNCT application