A multiscale study of magnetic nanovectors : application to USPIO contrast agents for MRI of atherotic inflammation in a murine model

par Valentin-Adrian Maraloiu

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Marie-Geneviève Blanchin.

Soutenue le 10-12-2010

à Lyon 1 , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) .

Le jury était composé de Dominique Leguellec, Alfonso San Miguel, Valentin Serban Teodorescu.

Les rapporteurs étaient Jose-Manuel Dominguez-Vera, Hana Lahrech.

  • Titre traduit

    Etude multi-échelle des nanovecteurs magnétiques : application pour des agents de contraste à vase d’oxyde de fer pour IRM de l’Inflammation athérotique dans un modèle animal


  • Résumé

    Dans le cadre du développement des nanotechnologies pour les sciences de la vie et de la santé, les nanovecteurs magnétiques connaissent un essor considérable. Ces structures composites constituées de sphères polymériques encapsulant des nanoparticules magnétiques ou d`un coeur nanoparticulaire magnétique entouré d`une couverture organique présentent une combinaison de propriétés physico-chimiques et magnétiques très performante pour le diagnostic en imageries par exemple, notamment Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), ou la thérapie : vectorisation pharmaceutique ciblée, hyperthermie thérapeutique…L`obtention de tels vecteurs avec une taille nanométrique permet l`injection intraveineuse chez les patients et la propagation dans l`organisme, tout en augmentant l`action liée à la surface spécifique. Les présents travaux de doctorat ont porté sur deux familles importantes de nanovecteurs magnétiques : - des nanosphères de polymère biocompatible chargé en composé radioactivable et encapsulant des nanoparticules de magnétite, pour la thérapie tumorale - des agents de contraste pour l`IRM de l`inflammation vasculaire ou cérébrale chez la souris, constituée d`un coeur nanoparticulaire d`oxyde de fer (maghémite ou magnétite) entourée d`une enveloppe organique pour le ciblage de la région visée (ultrasmall superparamagnetic iron oxide – USPIO, en anglais) Pour cerner le comportement de ces nanovecteurs en interaction avec le milieu liquide de suspension, puis avec les régions ciblées dans l`organisme, une approche physique multiéchelle de leurs structure et propriétés a été développée. Les études structurales des nanovecteurs ont été menées à bien grâce à des développements innovants s`appuyant sur les microscopies électroniques à résolution nanométrique. Par l`application du mode Wet-STEM, un nouveau mode en transmission de microscopie électronique à balayage environnementale, l`image en transmission de la structure interne organique/nanoparticule(s) magnétiques(s) a été obtenue et les simulations d`images par méthode de Monte Carlo ont montré qu`une résolution nanométrique pouvait être obtenue. Pour les nanovecteurs en environnement tissulaire, on a utilisé la microscopie électronique en transmission (MET) pour laquelle on a fait varier le degré de coloration dans des préparations de tissus ex vivo inclus en résine ; on a ainsi obtenu les premières images MET en haute résolution (METHR) spatiale d`agents de contraste USPIO cristallisés dans les tissus de l`aorte ou la rate chez la souris athérotique. En combinant ces études structurales avec la mesure des propriétés magnétiques par SQUID, un suivi longitudinal d`agents USPIO injectés chez la souris pour l`IRM de la plaque d`athérome a été menée à bien dans l`aorte et la rate : les résultats ont été interprétés en terme d`agglomération de particules à taille variable en fonction du temps de séjour dans l`organisme et confrontés à un modèle in vitro de dégradation en milieu acide (métabolisme lysosomal).


  • Résumé

    As applications of nanotechnologies for life and health sciences get booming, magnetic nanovectors undergo a considerable development. Such composite structures made from polymer spheres encapsulating magnetic nanoparticles or from a nanoparticular magnetic core surrounded by an organic coverage exhibit a combination of physical, chemical and magnetic properties very appropriate for diagnostic by imaging such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), or for therapy: targeted pharmaceutical vectorization, therapeutic hyperthermia... When such vectors exhibit a nanometric size, intravenous injection and easy spread in the body of the patients are allowed, while effects related to the specific surface area are increased. The present doctoral work was concerned by two important families of magnetic nanovectors: - nanospheres of biocompatible polymer having loaded a radioactivable compound for tumoral therapy and having encapsulated magnetite nanoparticles for diagnostic by MRI: a system for thera-diagnostic is thus obtained.- contrast agents for MRI of vascular or cerebral inflammation, consisting of a nanometric iron oxide (maghemite or magnetite) core i.e. ultrasmall superparamagnetic iron oxide – USPIO - surrounded by an organic coverage for targeting the affected region. These USPIO were used to study inflammation in the atherotic plaque of the aorta in a murine model.Most of the time, such nanovectors are administered to the patients in liquid suspensions by intravenous injection. It is thus crucial to characterize both the collective behaviour and the individual structure of the vectors in liquid suspension. On the other hand their interactions with the targeted regions in the body have to be understood. For this purposes, a multiscale approach of the structure and properties of such nanovectors has been developed, with structural studies carried out through innovative developments based on electron microscopies down to subnanometric resolution and correlated with physical properties. To achieve characterization of nanovectors in liquid media we have developed the application of Wet-STEM, a new mode in transmission of environmental scanning electron microscopy (ESEM), to image the internal structure of the magnetic nanoparticles in liquid suspension and image calculations by Monte Carlo simulations have shown that a nanometric resolution could be theoretically achieved. By the same technique, stability or tendency to flocculation in suspensions can be evidenced with respect to the collective behavior of different nanovectors.In a second step we have investigated the interactions of the nanoparticles with targeted regions. The biodistribution and biotransformation of the USPIO contrast agents in the tissular and cellular environments were investigated at increasing spatial resolution using different techniques. The biodistribution of a MRI contrast agent grafted with a fluorophore, in ex vivo samples from atherotic aorta and spleen were revealed by biphoton microscopy with a resolution of a few hundred nanometers, down to macrophage scale. Then preparation of ex vivo samples for transmission electron microscopy (TEM) was adapted from standard protocols especially with respect to staining after inclusion in resin. This way, the first high resolution HR(TEM) images and electron diffraction patterns of crystallized USPIO contrast agents in the aorta or the spleen of an atheromatous mouse were obtained. Combining such structural studies with measurement (using a SQUID setup) of magnetic properties, a longitudinal follow-up of USPIO nanoparticles injected in mice for MRI of the atherotic plaque has been completed for USPIO particles embedded in the aorta and the spleen: the results were interpreted in terms of agglomeration of the particles with a decreasing size depending on time after injection and found consistent with a model of in vitro degradation in acidic environment proposed to mimick the lysosomal metabolism.

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