Modeling cancer cell-derived extracellular vesicles using synthetic nanoparticles

Kaur, Ishman (2025). Modeling cancer cell-derived extracellular vesicles using synthetic nanoparticles. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Metastasis represents a major challenge in cancer care, with the liver being a common site for cancer to spread. Extracellular vesicles (EVs), small membrane-bound vesicles released by cells, play a crucial role in this process. Cancer derived EVs deliver important cargo, such as proteins, to recipient cells that then prepare metastatic sites for colonization by circulating tumor cells (a process referred to as premetastatic niche formation). However, studying EVs is difficult because they are highly heterogenous and difficult to isolate in large amounts.

To circumvent these challenges, the aim of this thesis was to create synthetic vesicles (SVs) using liposomes to replicate the properties and functions of cancer cell-derived EVs, with a focus on encapsulation of EV proteins. Two methods were used: 1) specific EV candidate proteins (e.g. heat shock protein 70 (HSP70) and CD63) were commercially sourced and encapsulated into liposomes, and 2) whole proteins were extracted directly from EVs isolated from cancer cells and encapsulated into liposomes. SVs were produced using a microfluidic approach, designed to match the size and zeta potential of natural EVs.

The SVs were characterized for their size and surface charge using nanoparticle tracking analysis (NTA) and zeta potential measurements. Protein loading efficiency was evaluated through biochemical assays, including stain-free SDS-PAGE and the micro-BCA protein quantification assay. Proteomic profiling via mass spectrometry identified the encapsulated proteins. Cellular uptake studies were performed using live cell imaging to quantify the internalization of SVs by recipient cells.

The findings demonstrate that engineered SVs can successfully incorporate EV-associated proteins and exhibit properties comparable to natural EVs, offering a scalable system to investigate the role of EV proteins in cancer metastasis. This approach bridges nanotechnology and cancer biology, laying the groundwork for designing targeted, EV-inspired delivery systems for future therapeutic applications.

Titre traduit

Modélisation des vésicules extracellulaires dérivées de cellules cancéreuses à l'aide de nanoparticules synthétiques

Résumé traduit

La métastase représente un défi majeur dans le traitement du cancer, le foie étant un site fréquent de dissémination tumorale. Les vésicules extracellulaires (VEs), de petites vésicules délimitées par une membrane et libérées par les cellules, jouent un rôle clé dans ce processus. Les VEs dérivées des cellules cancéreuses transportent des cargaisons biologiquement actives, telles que des protéines, vers des cellules cibles, contribuant ainsi à la préparation des sites métastatiques pour la colonisation par les cellules tumorales circulantes (un phénomène connu sous le nom de formation de niche pré-métastatique). Cependant, l’étude des VEs est compliquée par leur grande hétérogénéité et la difficulté à les isoler en quantité suffisante.

Pour contourner ces limites, l’objectif de ce mémoire était de créer des VEs synthétiques (SVEs) à partir de liposomes afin de reproduire les propriétés et fonctions des VEs dérivées de cellules cancéreuses, en se concentrant sur l’encapsulation de protéines associées aux VEs. Deux stratégies ont été employées : 1) l’encapsulation dans des liposomes de protéines candidates spécifiques (par exemple, la protéine de choc thermique 70 (HSP70) et CD63) achetées dans le commerce, et 2) l’extraction de protéines totales à partir d’VEs isolées de cellules cancéreuses, suivie de leur encapsulation dans des liposomes. Les SVEs ont été produits par une approche microfluidique, conçue pour imiter la taille et le potentiel zêta des VEs naturelles.

Les SVEs ont été caractérisées en termes de taille et de charge de surface par analyse de suivi de nanoparticules (NTA) et mesures de potentiel zêta. L'efficacité de l'encapsulation des protéines a été évaluée par des analyses biochimiques, incluant le gel SDS-PAGE sans coloration et le dosage micro-BCA. Le profil protéomique des SVEs a été déterminé par spectrométrie de masse. L'internalisation cellulaire a été étudiée par imagerie cellulaire en temps réel afin de quantifier l'absorption des SVEs par les cellules réceptrices.
Les résultats démontrent que les SVEs peuvent incorporer efficacement des protéines associées aux VEs et présentent des caractéristiques similaires aux VEs naturelles, offrant ainsi un système reproductible pour étudier le rôle des protéines des VEs dans la métastase du cancer. Cette approche combine la nanotechnologie et la biologie du cancer, posant les bases pour le développement futur de systèmes de livraison ciblés inspirés des VEs pour des applications thérapeutiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in engineering in healthcare technology". Comprend des références bibliographiques (pages 107-110).
Mots-clés libres:	vésicules extracellulaires, liposomes synthétiques, métastase du cancer, microfluidique, encapsulation de protéines, potentiel zêta, protéomique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nerguizian, Vahé
Codirecteur:	Codirecteur Valdemarin Burnier, Julia
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2025 14:45
Dernière modification:	18 août 2025 14:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3673

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