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Lluis M. Mir, D.Sc.
Laboratoire de Vectorologie et Thérapeutiques Anticancereuses
UMR 8203 CNRS, Université Paris Sud et
Institut Gustave-RoussyVillejuif (Paris) - France
Applications m édicales des impulsions électriques
Journées URSI France 2012 – 3 et 4 Avril 2012, Paris
Laboratoire Européen Associésur l’Electroporation en Biologie et M édicine
(LEA EBAM)
Applications médicales des champs
électromagnétiques
Trois grands types d’applications
1. Courants électriques (continus ou impulsionnels) directement appliqués au corps (électrodes avec contact)
2. Energie électrique, magnétique ou électromagnétique appliquée par des électrodes sans contact avec le corps
3. Energie électrique, magnétique ou électromagnétique appliquée par des électrodes en contact direct avec le corps
1. Courants électriques (continus ou impulsionnels) Effets relativement bien connus, parmi lesquels:
1. Déplacement électrophorétique de protéines (récepteurs) à la surface des cellules
2. Orientation de la migration des cellules ou des neurites
3. Régulation de la division cellulaire, de la différentiation cellulaire (?)
4. Variations du potentiel transmembranaire et induction de potentiels d’action
5. Modification de l’endocytose des cellules vvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
6. Modification de la perméabilité des cellules (« électroporation » classique et/ou « supraporation »)
1. Courants électriques (continus ou impulsionnels) Effets relativement bien connus, parmi lesquels:
1. Déplacement électrophorétique de protéines (récepteurs) à la surface des cellules
2. Orientation de la migration des cellules ou des neurites
3. Régulation de la division cellulaire, de la différentiation cellulaire (?)
4. Variations du potentiel transmembranaire et induction de potentiels d’action
5. Modification de l’endocytose des cellules (Courants faibles)
6. Modification de la perméabilité des cellules (« électroporation » classique et/ou « supraporation »)Courants de forte intensité délivrés sous forme d’impulsions de très courte durée et de haut voltage
Courants électriques directement appliqués au corps
Courants de forte intensité délivrés sous forme
d’impulsions de très courte durée et de haut voltage
1. Chocs électriques pour la dépression
2. Défibrillation cardiaque
3. Electrochimiothérapie
4. Thérapie génique non virale
5. Electroporation irréversible pour le traitement du cancer et l’arythmie cardiaque
Courants électriques directement appliqués au corps
Courants de forte intensité délivrés sous forme
d’impulsions de très courte durée et de haut voltage
1. Chocs électriques pour la dépression
2. Défibrillation cardiaque
3. Electrochimiothérapie
4. Thérapie génique non virale
5. Electroporation irréversible pour le traitement du cancer et l’arythmie cardiaque (impulsions d’une durée dans la gamme des microsecondes et des millisecondes)
6. Recherches actuelles pour des applications futures (impulsions ultracourtes d’une durée dans la gamme des nanosecondes)
L’application d’impulsions électriques courtes et intenses aux cellules vivantes induit des modifications
de la différence de potentiel transmembranaire
Au-delà d’un potentiel transmembranaire de 0.2 à 0.4 volts, des structures transitoires de perméation sont générées
au niveau de la membrane cellulaire
Electrotransfert de Gènes
Electrochimiothérapie
Stérilisation d’aliments
(inactivation des microbes)
Electroporation Irréversible
pour l’ablation de tumerus
Extraction de jus ou de sucre
(Betterave, raisin …)- +
Schultheiss et al. 2002 – Davalos et al. 2005
Medical and industrial applicationsIntroduction |
100 V/mm
20 V/mm
Un nouveau concept
Bléomycine seule
Bléomycine +
impulsions électriques
Concentration de bléomycine (logarithme)
Eff
ica
cité
de
clo
na
ge
(e
n %
de
s co
ntr
ôle
s)
Résultats de la
première expérience
Des souris ont été « guéries »(plus de 200 jours de survie
de la souris SANS réapparition de la tumeur inoculée)
dès la première expérience, après un seul traitement,
sur deux modèles tumoraux différents
Conditions électriques:
8 impulsions de 1500 V/cm et
100 µs
à la fréquence de répétition de
1 Hz (1 IE/s)
Electrodes:
Bléomycine: injectée par voie
intramusculaire 30 minutes
avant les IE
Day 0
Day 20
Day 2
Day 30
Un exemple provenant d’un laboratoire irlandais qui a reproduit nos expériences ultérieurement
(modèle: cancer du rein humain)
Avant30 jours après
3 jours après
« pendant »
1er essai clinique, à l’IGR (Mir et al 1991,
Berehradek et al. 1993)
L’expérimentation clinique
Définition de
l’électrochimiothérapie antitumorale
La potentialisation locale
au moyen
d’impulsions électriques perméabilisantes
de l’activité antitumorale
d’un médicament anticancéreux non perméant
ayant une forte activité intrinsèque.
• Arrêt immédiat du saignement; disparition du nodul e en approx. 10 semaines
Les marques des aiguilles sur la peau normale révèl ent la sélectivité de l’ECT
Mélanome malinAvant
Après 1 mois Après 6 mois
Marty et al, Eur. J. Cancer Supplement 2006, 4 :3-13
Métastases cutanées de cancer du seinAvant 2 mois après l’ECT
Electrochimiothérapie (ECT)
Bilan final de l’étude ESOPE
4,7%10,5%11,1%
73,7%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Réponsescomplètes
Réponsespartielles
Sans changement
Progression
pour
cent
ages
Résultats de l’étude du projet européen ESOPE (IGR, Villejuif, France; IO, Ljubljana, Slovenia;
UCCC, Cork, Ireland, Herlev H., Copenhagen, Denmark) Patients: 110 - Nodules avec un suivi complet: 171
Objective Response Rate: 85%No Response: 15%
Indications actuelles de l’ECT
Toute métastase cutanée et sous-cutanée indépendamment de
l’histologie de la tumeur primaire – en particulier, métastases de
mélanome et de mélanome en transit, récurrences locales du
cancer de sein, carcinomes de la tête et du cou, …
Le traitement est efficace, sûr, et peut être réalisé en hôpital de
jour, en une seule séance. Il peut être répété. L’ECT peut être faite
dans des zones déjà traitées par radiothérapie, ou lorsqu’un
traitement local est souhaité mais que la chirurgie est difficile ou
impossible (par exemple, en néoadjuvance, pour réduire le
volume tumoral et permettre l’ablation chirurgicale). L’ECT permet
de sauver des organes ou des fonctions.
Diss émination actuelle de l’ECT•
Plus 80 centres de traitement du cancer équip és aujourd ’hui dans l’Union Europ éenne
•
Depuis la publication des procédures opérationnelle s standard (Nov. 2006, Eur J Cancer Suppl. – num éro spécial « electrochimiothérapie »)
- 300 patients traités en 2007- environ 700 patients traités en 2008- environ 1500 patients traités en 2009
ECT est remboursée dans 6 pays de l’UE
Electrochemotherapy 1 st International Users’ Meeting: Nov. 19 - 20, 2010 in Bologna - ITALY
Electrochemotherapy 2 nd International Users’ Meeting: March 1 - 2, 2013 in Bologna - ITALY
Métastases osseusesPositionnement des électrodes (par courtoisie du Pr. Mercuri et des Drs. Bianchi et Campanacci de l’Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologne, Italie)
January: ECT
March: 5 wks post ECT
December
Par courtoisie du Pr. Mercuri et des Drs. Bianchi et Campanacci de l’Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologne, Italie)
M&*)JM>',/)3)37K"'P
Par courtoisie du Dr. D. Soden, duPr G. O'Sullivan et leurs collègues de Cork, Irlande
Electrodes Endoscopiques
NanopulsesDispositif expérimental
Paramètres électriques
Temps de montée (10 % - 90 %) ≈ 350 ps
Temps de descente (10 % - 90 %) ≈ 1.7 ns
Largeur à mi-hauteur ≈ 10.8 ns
Champ électrique : 1 - 6 MV/m
Densité de courant : 0.5 - 3 A/mm2
Exemples de mesures
1 : FID Nanopulseur : 10 ns, 3-10 kV, HNB 50 Ω
2 : Système d’exposition
3 : Extracteur BARTH : 100:1, DC–6 GHz, 2.5 kV, N 50 Ω
4 : Sonde de voltage : 10 : 1, DC-6 GHz, 3 kV SMA 50 Ω
5 : Oscilloscope Lecroy : DC–8 GHz,40 Gs/s, 8 bits
⇒ Le réchauffement global modifie la conductivité du milieu et donc l’amplitude du pulse appliqué
Evolution de l’amplitude de l’impulsion en fonction du taux de répétition
Cuvette: 1mm
Milieu: SMEM
Volume: 60 µL
E Initial: 4.4 kV/mm
Conclusion : le suivi permanent de l’amplitude des impulsions permet de
détecter le réchauffement de l’objet biologique avec une bonne sensibilité
Fréquence de répétition et Artéfacts
⇒ Les expériences ultérieures ont été réalisées à 10 Hz
Effet du nombre d’impulsions
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Effect of the number of pulsesPulses: 4 kV/mm, 10 ns, 10 Hz Medium: SMEM
Internalization of Bleomycin|
15 µm
Control 1000 nP300 nP
15 µm
Control
3 nP 1000 nP
300 nP
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Effet du nombre d’impulsions
Effet du nombre d’impulsions
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Effet du nombre d’impulsions
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Courbe des cellules exposées à la bléomycine et aux impulsions:
La survie cellulaire est en % par rapport à un contrôle exposé uniquement à la bléomycine
Effet du nombre d’impulsions
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Impulsion unique, sans bleomycine
Expériences avec une seule impulsion
Amplitude du champ appliqué : 11 mV/m
Impulsion unique 10 ns
Conclusions
1.L’électrochimiothérapie est une nouvelle approche antitumorale qui est en train d’être incorporée dan s l’arsenal de lutte contre le cancer; elle utilise des impulsions électriques microsecondes en combinaison avec un m édicament anticancéreux non perm éant
2.L’électrotransfer des acides nucléiques qui utili se des impulsions électriques « millisecondes » ou des combinaisons d’impulsions « microsecondes » et « millisecondes » est testée dans des essais cliniques
3. La technologie des impulsions « nanosecondes »est e n cours de développement
RemerciementsTous les membres de l’équipe, particulièrement qui ont participé dans le
développement de l’électrochimiothérapie (S. Orlowski, J et M. Belehradek, B.
Poddevin, O. Tounekti, G. Pron, G. Sanz, J. Gehl, L. Ramirez, T. Kotnik, D. Cujkati, S.
Corovic, …) et les membres de l’équipe qui ont développé d‘autres applications de
l’électroporation (F. André, A. Silve, M. Breton, B Al Sakere, R. Davalos, N. Mahrour,
M. Moisescu, M-A de Ménorval, C. Calvet, I Leray, …)
Tous les collègues français, en particulier les cliniciens de l’IGR et les Drs P.Lévêque,
B.Le Pioufle, J.Teissié, B.Trétout, C.Poignard, R.Vézinet, MP. Rols, M.Tarek, C.Laux…
De très nombreux collègues de l’UE ou hors UE
Les financeurs: CNRS, Université Paris-Sud
I.Gustave Roussy, Commission Européenne
ANR (projets Nanopulsebiochip, Intcell,
Memove, Ipsioat), DGA, ARC, AFM, Ligue…
Merci beaucoup de votre attention