Soutenance de thèse de Francesca ROSSI

L'ostéosarcome (OS) est une tumeur osseuse rare et agressive qui survient pendant l'adolescence.Bien que son origine soit longtemps restée inconnue, des études récentes ont indiqué que des dysfonctionnements de la différenciation ostéogénique pourraient être associés à la genèse de l'OS.Lors de la différenciation ostéoblastique, les cellules tumorales s'arretent à un stade indifférencié, produisant un environnement malin qui favorise le cancer.D'un point de vue clinique, des douleurs osseuses persistantes, un gonflement et des fractures sont examinés en combinant l'imagerie radiologique et la biopsie.De plus, le traitement implique une approche multimodale basée sur la résection chirurgicale de la tumeur et la chimiothérapie.Dans le contexte d'une pathologie aussi complexe, le défi d'optimiser le diagnostic et les stratégies thérapeutiques doit être relevé.Ainsi, cette thèse vise à apporter de nouvelles perspectives sur l'ostéosarcome grâce à une caractérisation multiscale de la tumeur, en exploitant des techniques avancées de rayons X de synchrotron et la résonance magnétique. Pour représenter la différenciation défectueuse dans l'ostéosarcome, des cellules SaOS-2 ont été différenciées en ostéoblastes et étudiées lors des premiers stades de la biominéralisation. La formation de la matrice minérale a été surveillée avec la spectroscopie XANES du calcium, la cryo-soft X-ray tomography, et la microscopie de fluorescence des rayons X. Un mécanisme de formation de la matrice minérale basé sur l'interaction entre les mitochondries et les vésicules a été observé. De plus, à travers une étude morphologique des mitochondries, la reprogrammation des cellules d'ostéosarcome a été rélévée. Ces résultats renforcent la théorie selon laquelle les origines de l'ostéosarcome pourraient être liées à une différenciation défectueuse, soutenant le développement de thérapies visant à restaurer la minéralisation physiologique dans les cellules tumorales. L'OS est caractérisé par une prolifération cellulaire incontrôlée et la génération d'un microenvironnement anormal qui favorise la croissance tumorale et les métastases. Par conséquent, une caractérisation structurale et morphologique approfondie du tissu peut identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques. Plusieurs techniques de rayons X de synchrotrons ont été exploitées pour effectuer une analyse multiscale de tissus ostéosarcomateux humains résectionnés. En particulier, la microtomographie à contraste de phase a permis de décrire la morphologie osseuse, la microXANES a caractérisé le tissu au niveau moléculaire et la diffraction des rayons X a fourni des informations structurales. Cette étude a révélé que le tissu minéralisé formé à partir de divers sous-types d'ostéosarcome peut être distingué de l'os normal par la morphologie, la composition minérale et chimique. Actuellement, la biopsie invasive est la référence pour identifier les sarcomes osseux et suivre leurs changements pathologiques. Dans cette thèse, les techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) à champ ultra-élevé ont été évaluées pour l'étude multiparamétrique des sarcomes osseux. L'imagerie par résonance magnétique conventionnelle a été testée sur quatre patients pour décrire la morphologie de différents sarcomes, les techniques avancées de RMN ont prouvé leur potentiel pour améliorer la caractérisation des lésions. Parmi toutes les approches avancées, l'imagerie par diffusion (DWI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) ont été considérées pour décrire la cellularité tumorale et le métabolisme. En conclusion, grâce à la combinaison de techniques basées sur les synchrotrons et de la RMN, ce travail a relevé le défi de combler le gap entre les aspects cellulaires et cliniques de l'ostéosarcome. De plus, l'approche multimodale offre de nouvelles perspectives sur les sarcomes osseux, ouvrant la voie au développement de stratégies thérapeutiques améliorées et d'outils de diagnostic précis.

Osteosarcoma (OS) is a rare and aggressive bone tumor that occurs during adolescence and young adulthood. Although its origin has long remained unclear, recent studies have pointed out that osteogenic differentiation dysfunctions may be associated with the genesis of OS. Specifically, during osteoblastic differentiation, tumor cells are likely to arrest at an undifferentiated stage, producing a malignant environment that promotes cancer growth and migration. From a clinical point of view, persistent bone pain, swelling and fractures are investigated combining radiological imaging and biopsy. In addition, treatment typically involves a multimodal approach based on surgical resection of the tumor and chemotherapy administered before and after surgery. In the context of such a complex pathology, the challenge of optimizing both diagnosis and therapeutic strategies needs to be addressed. Thereby, this thesis aims at providing new insights into osteosarcoma through a comprehensive multiscale characterization of the tumor, exploiting advanced synchrotron-based X-ray and magnetic resonance techniques. To represent the defective differentiation process in osteosarcoma, SaOS-2 cells were induced to differentiate into osteoblasts and studied during the early stages of bone biomineralization. Mineral matrix formation was monitored exploiting synchrotron-based X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES) at the Ca 𝐿3,2 − 𝑒𝑑𝑔𝑒 and the Ca K-edge, cryo soft X-ray tomography, and X-ray fluorescence microscopy. Interestingly, a mechanism for mineral matrix formation based on the interaction between mitochondria and vesicles was observed. Furthermore, through a morphological study of mitochondria, the reprogramming of osteosarcoma cells induced to differentiate was hypothesized. These results reinforce the theory according to which osteosarcoma origins could be related to defective differentiation, supporting the development of therapeutic approaches aiming at restoring the physiological mineralization in tumor cells. OS is characterized by uncontrolled cells proliferation and consequent generation of an abnormal tissue microenvironment that promotes tumor growth and metastasis. Therefore, an extensive structural and morphological characterization of osteosarcoma tissue holds great potential to identify new targets and therapeutic strategies. Several synchrotron-based X-ray techniques have been exploited to perform a multiscale analysis of resected human osteosarcoma tissues. In particular, phase-contrast micro-tomography allowed to describe bone morphology, microXANES characterized the tissue at the molecular level while X-ray diffraction provided complementary structural information. This study revealed that mineralized tissue formed from various osteosarcoma subtypes (without chemotherapy administration) can be distinguished from normal bone not only in morphology but also by mineral and chemical composition. Currently, invasive biopsy is the gold standard to identify bone sarcomas and follow their pathological changes. In this thesis, nuclear magnetic resonance (NMR) techniques at ultra-high field were evaluated for the multiparametric assessment of bone sarcomas. Conventional magnetic resonance imaging was preliminarily tested on a cohort of four patients to depict the morphological features of different sarcomas, while advanced NMR techniques proved their potentiality for improving lesions’ characterization. Among all advanced approaches, diffusion-weighted imaging (DWI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) were considered to describe tumor cellularity and metabolism. In conclusion, thanks to the combination of synchrotron-based and NMR techniques, this work tackled the challenge to bridge the gap between cellular and clinical aspects of osteosarcoma. Moreover, the multimodal approach provides new insights into bone sarcomas, paving the way for the development of improved therapeutic strategies and precise diagnostic tools.