Recently, the use of gold nanoparticles as potential tumor selective radiosensitizers has been proposed as a breakthrough in radiotherapy. Experiments in living cells and in vivo have demonstrated the efficiency of the metal nanoparticles when combined with low energy x-ray radiations (below conventional 1 MeV Linac radiation). Further studies on DNA have been performed in order to better understand the fundamental processes of sensitization and to further improve the method. In this work, we propose a new strategy based on the combination of platinum nanoparticles with irradiation by fast ions effectively used in hadron therapy. It is observed in particular that nanoparticles enhance strongly lethal damage in DNA, with an efficiency factor close to 2 for double strand breaks. In order to disentangle the effect of the nano-design architecture, a comparison with the effects of dispersed metal atoms at the same concentration has been performed. It is thus shown that the sensitization in nanoparticles is enhanced due to auto-amplified electronic cascades inside the nanoparticles, which reinforces the energy deposition in the close vicinity of the metal. Finally, the combination of fast ion radiation (hadron therapy) with platinum nanoparticles should strongly improve cancer therapy protocols.

Abstract The huge gap between 2D in vitro assays used for drug screening, and the in vivo 3D-physiological environment hampered reliable predictions for the route and accumulation of nanotherapeutics in vivo. For such nanotherapeutics, Multi-Cellular Tumour Spheroids (MCTS) is emerging as a good alternative in vitro model. However, the classical approaches to produce MCTS suffer from low yield, slow process, difficulties in MCTS manipulation and compatibility with high-magnification fluorescent optical microscopy. On the other hand, spheroid-on-chip set-ups developed so far require a microfluidic practical knowledge difficult to transfer to a cell biology laboratory. We present here a simple yet highly flexible 3D-model microsystem consisting of agarose-based microwells. Fully compatible with the multi-well plates format conventionally used in cell biology, our simple process enables the formation of hundreds of reproducible spheroids in a single pipetting. Immunostaining and fluorescent imaging including live high-resolution optical microscopy can be performed in-situ , with no manipulation of spheroids. As a proof-of-principle of the relevance of such in vitro platform for nanotherapeutics evaluation, this study investigates the kinetic and localization of nanoparticles within colorectal cancer MCTS cells (HCT-116). The nanoparticles chosen are sub-5 nm ultrasmall nanoparticles made of polysiloxane and gadolinium chelates that can be visualized in MRI (AGuIX ® , currently implicated in clinical trials as effective radiosensitizers for radiotherapy) and confocal microscopy after addition of Cy 5.5. We show that the amount of AGuIX ® nanoparticles within cells is largely different in 2D and 3D. Using our flexible agarose-based microsystems, we are able to resolve spatially and temporally the penetration and distribution of AGuIX ® nanoparticles within MCTS. The nanoparticles are first found in both extracellular and intracellular space of MCTS. While the extracellular part is washed away after few days, we evidenced intracellular localisation of AGuIX ® , mainly within lysosomes compartment, but also occasionally within mitochondria. Our agarose-based microsystem appears hence as a promising 3D in vitro user-friendly platform for investigation of nanotherapeutics transport, ahead of in vivo studies. Abstract Figure Graphical abstract

Cancer is one of the leading causes of death. Radiation therapy is an important modality used in cancer treatment being highly cost-effective. Major flaw of radiotherapy is lack of selectivity between cancerous and healthy tissues. Amelioration of radiotherapy by using high-Z nanoparticles as radiation enhancers is one of potential solutions. Gold nanoparticles (AuNPs) are commonly used as radioenhancers. Understanding the interaction between cancer cells and AuNPs is essential in order to achieve best possible radioenhancing effects, while sparing healthy tissues. This work aims to elucidate interactions of ultrasmall (core size: 2.4 nm and hydrodynamic diameter (Dh): 4.5 nm) fluorescently labeled AuNPs with various human cell lines. In this perspective we measured uptake dynamics, characterized route of internalization and time of intracellular retention in various cancer cell lines and fibroblasts. Our results show that uptake dynamics and internalization pathways are strongly cell line-dependant. We also demonstrate that higher proportion of internalized nanoparticles resides in cancer cells, compared to fibroblasts, in in vitro conditions. This work highlights great complexity of cancerous cells and underlines the necessity for excellent knowledge of biological behaviour for each type of cancer. It also emphasizes the major effort needed for efficient cancer treatments and makes an appeal for further development of highly selective nanoparticles in order to hasten their utilization in clinical conditions.