Metal-organic frameworks for drug delivery applications

par Cristina Tamames Tabar

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Patricia Horcajada.

Soutenue le 23-07-2014

à Versailles-St Quentin en Yvelines en cotutelle avec l'Universidad de Navarra , dans le cadre de Ecole doctorale sciences et technologies de Versailles (2010-2015) , en partenariat avec Institut Lavoisier de Versailles (laboratoire) et de Institut Lavoisier de Versailles / ILV (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Solides hybrides cristallins pour les applications d'administration de médicaments


  • Résumé

    Ce travail de thèse est centré sur l’étude d’un nouveau type de matériau, les solideshybrides cristallins MOFs (ou Metal-Organic Frameworks) comme systèmes devectorisation de médicaments.Tout d’abord, les MOFs ont été synthétisés à l’échelle nanométrique (NP), en utilisant desméthodes biocompatibles, quand possible. Leur cytotoxicité, ainsi que celle de leursligands constitutifs, a été évaluée par le test MTT sur des macrophages murins (J774) etdu carcinome cervical (HeLa). Nous avons pu constater: (i) une faible cytotoxicité desMOFs, comparable à celle d’autres particules commercialisées, (ii) une influenceimportante de la composition du MOF (ordre de toxicité: Fe<Zr<Zn; ligandshydrophiles<hydrophobes), (iii) une toxicité plus élevée sur la lignée J774 que sur laHeLa, associée à sa plus grande activité phagocytique et (iv) le MIL-100(Fe)_NPs est uncandidat prometteur pour des bioapplications, montrant une très faible cytotoxicité(IC50=0,7 mg·mL-1) et une internalisation cellulaire rapide, voir immédiate dans les J774.Ensuite, le bioflavonoïde non-toxique génistéine (GEN), avec une activité antitumoralremarquable, a été encapsulé avec succès dans des carboxylates de Fe ou de Zr poreux,obtenant des capacités très élevées (160-340 μg GEN·mg formulation-1) en fonction de lastructure et composition du MOF. Ces capacités sont bien en dessus de celles reportéespar d’autres formulations. En autre, la GEN est libérée progressivement (de 2 jours àquelques semaines) sous des conditions physiologiques simulées, ce qui semble appropriépour son utilisation comme système de libération contrôlée (DDS). L’évaluation de lapharmacocinétique et de la biodisponibilité de la formulation à base du MIL-100(Fe)_NPs, a été réalisée et comparée à celle de la GEN libre après une administrationunique (30 mg·Kg-1) par voie oral aux souris. Nous avons conclu que cette formulationpermet d’y obtenir (i) des niveaux de GEN plus élevés et prolongés, (ii) unebiodisponibilité relative supérieure et (iii) une meilleure biodisponibilité orale et un tempsmoyenne de résidence. Les niveaux de GEN dans les organes ont été davantage plus élevéset prolongés, suggérant que le MOF puisse protéger la GEN de la métabolisation.Finalement, un nouveau MOF biologiquement actif (BioMIL-5), a été synthétise par unevoie totalement biocompatible à basé de deux composants antibactériens etdermatologiques, l’acide azélaïque (AzA) et le Zn. La libération progressive des deux aumilieu (l’eau ou le milieu bactérien) à travers de la dégradation du BioMIL-5, conduit a uneffet antibactérien sur S. aureus et S. epidermidis. En prime, un effet antibactérien additifa été mis en évidence, avec cependant des concentrations minimales inhibitoires (MIC) etminimales bactéricides (MBC) assez élevées et en accord avec celles des composants isolés. Enfin, le BioMIL-5 a montré une activité bactéricide (4.3 mg·mL-1) etbactériostatique (0.9 et 1.7 mg·mL-1) prolongée (7 jours) sur S. epidermidis.


  • Résumé

    In this work, a new type of particles denoted as MOFs or Metal-Organic Frameworks, havebeen studied as a new drug carriers.First, they were synthesised at the nanoscale (NPs) using, when possible, biofriendlymethods. Their cytotoxicity, as well as that from their constitutive linkers, was evaluatedby the MTT test in murine macrophage (J774) and in cervix carcinoma (HeLa) cell lines,observing: (i) a low cytotoxicity of MOFs, comparable with other described particulatedsystems, (ii) a strong influence of the composition (toxicity order: Fe<Zr<Zn;hydrophilic<hydrophobic linkers), (iii) a higher cytotoxicity in J774 than HeLa, due totheir higher phagocytosis activity and (iv) MIL-100(Fe)_NPs was an excellent candidatefor bioapplications (IC50=0.7 mg·mL-1). MIL-100(Fe)_NPs are rapidly cell-uptaken, beingimmediately internalised in J774 cells.Next, the non-toxic bioflavonoid genistein (GEN) with antitumoral properties wassuccessfully encapsulated in porous Fe or Zr carboxylate MOFs, achieving GEN payloads(160-340 μg GEN·mg formulation-1), higher than other existing formulations anddependent on their composition and topology. Furthermore, GEN was progressivelyreleased under simulated physiological conditions from 2 days to several weeks, beingappropriate as long release drug delivery systems (DDS). Finally, the pharmacokineticsand bioavailability evaluation of MIL-100(Fe)_NPs’ formulation was carried out incomparison with the free drug after its oral unique administration (30 mg·Kg-1) to mice,depicting (i) higher and longer plasmatic levels, (ii) an increase in the relative and (iii) abetter oral bioavailability and a mean residence time. Furthermore, higher and moreprolonged drug levels were detected in organs, suggesting that the MOF worked as a drugshelter, protecting GEN from metabolisation.Finally, a new biologically active MOF (denoted BioMIL-5), based on the antibacterial anddermatologically active azelaic acid (AzA) and Zn, was successfully synthesised by a totallybiofriendly route. Both active components BioMIL-5 were slowly released to the media,either pure water or bacteria medium, upon its structural degradation. Its antibacterialactivity was evidenced in S. aureus and in S. epidermidis, observing an interestingadditive effect with however high minimal inhibitory (MIC) and minimal bactericidalconcentrations (MBC), in agreement with the isolated components. Finally, BioMIL-5exhibited a lengthened bactericidal (4.3 mg·mL-1) and bacteriostatic (0.9 and 1.7 mg·mL-1)in contact with S. epidermidis for one week.


  • Résumé

    En este trabajo, se han estudiado un nuevo tipo de partículas denominadas MOFs oMetal-Organic Frameworks como transportadores de fármacos.Primero, se sintetizaron en escala nanométrica (NP) sustituyendo los disolventes tóxicoscuando fuese posible. Se evaluó su citotoxicidad, así como la de sus ligandos, mediante eltest de MTT en las líneas celulares J774 (macrófagos murinos) y en HeLa (carcinoma decérvix), observando: (i) una baja citotoxicidad de los MOFs, comparable a otros sistemasparticulados, (ii) una fuerte influencia de su composición (orden de toxicidad: Fe<Zr<Zn;ligandos hidrofílicos<hidrofóbicos), (iii) una toxicidad mayor en J774 que en HeLa,debido a una actividad fagocítica mayor y (iv) MIL-100(Fe)_NPs resultó ser un candidatoexcelente para bioaplicationes (IC50=0,7 mg·mL-1). Asimismo, éstas partículas seinternalizaron inmediatamente en J774.A continuación, se encapsuló satisfactoriamente un bioflavonoide no tóxico denominadogenisteína (GEN), con actividad antitumoral en unos carboxilatos porosos de Fe o Zr,alcanzando unas cargas (160-340 μg GEN·mg formulación-1) mayores que cualquier otraformulación y que dependían de su composición y topología. Además, GEN se liberóprogresivamente bajo condiciones fisiológicas simuladas desde 2 días a varias semanas,siendo un tipo de DDS (sistema de liberación controlada) adecuado. Finalmente, laevaluación farmacocinética y de biodisponibilidad de la formulación de MIL-100(Fe)_NPs, se realizó tras su comparación con GEN libre tras su administración única(30 mg·Kg-1) por vía oral a ratones, mostrando (i) unos niveles de GEN más elevadosdurante más tiempo, (ii) un aumento en la biodisponibilidad relativa y (iii) en labiodisponibilidad oral, así como del tiempo medio de resistencia. Además, se observaronniveles de fármaco más elevados y durante más tiempo en órganos, sugiriendo que elMOF servía como una protección al fármaco, protegiéndolo de su metabolización.Por último, se sintetizó satisfactoriamente y en condiciones biológicamente favorables, unnuevo MOF biológicamente activo (denominado BioMIL-5), basado en dos componentescon propiedades antibacterianas y para el cuidado de la piel, que son el ácido azelaico(AzA) y el Zn. Ambos componentes se liberaron de forma sostenida en solución (agua omedio de cultivo bacteriano), como consecuencia de la degradación del BioMOF. Suactividad antibacteriana se evidenció en S. aureus y en S. epidermidis, observandoasimismo un efecto sumatorio interesante con unas concentraciones mínimas inhibitorias(MIC) y mínimas bactericidas (MBC) altas, en concordancia con los componentes aisladosdel BioMOF. Finalmente, BioMIL-5 mostró una actividad bactericida (4.3 mg·mL-1) ybacteriostática (0.9 y a 1.7 mg·mL-1) prolongada durante una semana en S.epidermidis.


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  • Détails : 1 vol. (VI-249 p.)
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