Applications médicales des impulsions électriques

Applications médicales des
impulsions électriques
Lluis M. Mir, D.Sc.
Laboratoire de Vectorologie et
Thérapeutiques Anticancereuses
UMR 8203 CNRS,
Université Paris Sud et
Institut Gustave-Roussy
Villejuif (Paris) - France
Laboratoire Européen Associé
sur l’Electroporation en Biologie et Médicine
(LEA EBAM)
Journées URSI France 2012 – 3 et 4 Avril 2012, Paris
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Chocs électriques pour la dépression
Défibrillation cardiaque
Electrochimiothérapie
Thérapie génique non virale
Electroporation irréversible pour le traitement du cancer
et l’arythmie cardiaque (impulsions d’une durée dans la
gamme des microsecondes et des millisecondes)
Recherches actuelles pour des applications futures
(impulsions ultracourtes d’une durée dans la gamme des
nanosecondes)
Modélisation électrique d’une cellule
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
Electroporation ou électroperméabilisation
Introduction |
Medical and industrial applications
Extraction de jus ou de sucre
Stérilisation d’aliments Electroporation Irréversible
(Betterave, raisin …)
(inactivation des microbes) pour l’ablation de tumerus
+
Schultheiss et al. 2002 – Davalos et al. 2005
Electrochimiothérapie
Electrotransfert de Gènes
100 V/mm
20 V/mm
Efficacité de clonage (en % des contrôles)
Un nouveau concept
Bléomycine
seule
Bléomycine
+
impulsions
électriques
Concentration de bléomycine (logarithme)
Résultats de la
première expérience
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
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
Un exemple provenant d’un laboratoire irlandais
qui a reproduit nos expériences ultérieurement
(modèle: cancer du rein humain)
Day 0
Day 20
Day 2
Day 30
L’expérimentation clinique
Avant
30 jours après
« pendant »
3 jours après
1er essai clinique,
à l’IGR (Mir et al 1991,
Berehradek et al. 1993)
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.
Electrochimiothérapie (ECT)
Mélanome malin
Avant
Après 1 mois
Après 6 mois
• Arrêt immédiat du saignement; disparition du nodule en approx. 10 semaines
Les marques des aiguilles sur la peau normale révèlent la sélectivité de l’ECT
Métastases cutanées de cancer du sein
Avant
2 mois après l’ECT
Marty et al, Eur. J. Cancer Supplement 2006, 4:3-13
La technologie Cliniporator ™
(issue du projet européen “Cliniporator”)
La technologie Cliniporator ™
(issue du projet européen “Cliniporator”)
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
90
80
Bilan final de l’étude ESOPE
73,7%
pourcentages
70
60
50
40
30
20
11,1%
10,5%
4,7%
10
0
Réponses
complètes
Réponses
partielles
Sans
changement
Progression
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.
Dissémination actuelle de l’ECT
•
Plus 80 centres de traitement du cancer équipés
aujourd’hui dans l’Union Européenne
•
Depuis la publication des procédures opérationnelles
standard (Nov. 2006, Eur J Cancer Suppl. – numéro 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 1st International Users’ Meeting:
Nov. 19 - 20, 2010 in Bologna - ITALY
Electrochemotherapy 2nd International Users’ Meeting:
March 1 - 2, 2013 in Bologna - ITALY
Métastases osseuses
Positionnement des électrodes (par courtoisie du Pr. Mercuri et des
Drs. Bianchi et Campanacci de l’Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologne, Italie)
December
January: ECT
Par courtoisie du Pr.
Mercuri et des Drs.
Bianchi et Campanacci
de l’Istituto Ortopedico
Rizzoli, Bologne, Italie)
March: 5 wks post ECT
Electrodes Endoscopiques
M&*)JM>',/)3)37K"'
P
Par courtoisie du
Dr. D. Soden, du
Pr G. O'Sullivan et
leurs collègues de
Cork, Irlande
nsPEF area
T ≈ 1 – 300 ns
E ≈ 10 – 50 kV/cm
Nanopulses
Dispositif expérimental
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
Exemples de mesures
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
Dosimétrie
Evolution de l’amplitude de l’impulsion en fonction du taux de répétition
Cuvette:
Milieu:
Volume:
1mm
SMEM
60 µL
E Initial: 4.4 kV/mm
⇒ Le réchauffement global modifie la conductivité du milieu et donc l’amplitude du pulse appliqué
Fréquence de répétition et Artéfacts
Conclusion : le suivi permanent de l’amplitude des impulsions permet de
détecter le réchauffement de l’objet biologique avec une bonne sensibilité
⇒ Les expériences ultérieures ont été réalisées à 10 Hz
Effet de l’amplitude des impulsions
Expériences effectuées avec 300 impulsions de 10 ns à 10 Hz
Effet du nombre d’impulsions
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Internalization of Bleomycin|
Pulses: 4 kV/mm, 10 ns, 10 Hz
Control
15 µm
300 nP
Effect of the number of pulses
Medium: SMEM
1000 nP
Effet du nombre d’impulsions
Expériences effectuées avec des impulsions de 10 ns et de 4 MV/m à 10 Hz
Control
300 nP
15 µm
3 nP
1000 nP
Bléomycine :
une méthode pour détecter la permeabilisation réversible des cellules
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
Expériences avec une seule impulsion
Amplitude du champ appliqué : 11 mV/m
Impulsion unique, sans bleomycine
Impulsion unique 10 ns
Conclusions
1.L’électrochimiothérapie est une nouvelle approche
antitumorale qui est en train d’être incorporée dans
l’arsenal de lutte contre le cancer; elle utilise
des
impulsions électriques microsecondes en combinaison
avec un médicament anticancéreux non perméant
2.L’électrotransfer des acides nucléiques qui utilise 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 en
cours de développement
Remerciements
Tous 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