Etude des propriétés de surface de nanoparticules à l’interface avec les fluides biologiques et les membranes cellulaires

par Estelle Rascol

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Joël Chopineau.

Soutenue le 09-12-2016

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (laboratoire) .

Le président du jury était Joulia Larionova.

Le jury était composé de Joël Chopineau, Stéphane Roux, Magali Gary-Bobo.

Les rapporteurs étaient Stéphane Mornet, Claire Wilhelm.


  • Résumé

    L’objectif principal de ces travaux de thèse était de comprendre l’impact de la chimie de surface de NPs lors de leur interaction avec des interfaces biologiques. Deux sortes de NPs cœurs-coquilles ont été étudiées : des NPs sphériques de silice mésoporeuse Fe3O4@MSN de 100 nm de diamètre, contenant un cœur magnétique et des NPs composées d’analogues de bleu de Prusse (ABP) de formes cubiques (BP), cuboïdes (FeNi), ou polyédriques Au@BP contenant un cœur d’or, de tailles comprises entre 47 et 67 nm. Ces NPs différent par leur taille, leur composition chimique et leur forme. Les NPs de silice mésoporeuse, particulièrement étudiées ces dernières années pour leurs potentielles applications médicales, ont été choisies pour estimer la pertinence du recours à des modèles membranaires supportés pour l’évaluation de la sécurité biologique de nanomatériaux pour la santé. Les NPs Fe3O4@MSN ont été synthétisées de façon homogène et reproductible. Ces NPs ont ensuite été fonctionnalisées, par greffage de groupements PEG sur la silice, ou recouvertes avec une bicouche lipidique. L’influence des propriétés de surface sur la stabilité en suspension de ces NPs a été caractérisée dans différents milieux. Les effets de ces NPs sur la viabilité cellulaire et la cinétique d’internalisation ont été suivis sur une lignée cellulaire d’hépato-carcinome humain HepG2. Afin d’appréhender la relation entre les propriétés de surface des NPs et leurs effets sur les cellules, l’interaction des NPs avec des modèles membranaires a été étudiée. Les interactions des NPs avec des modèles membranaires ont été suivies par microbalance à quartz (QCM-D) et résonance plasmonique de surface (RPS). Les NPs fonctionnalisées sont plus rapidement internalisées que les NPs natives, en particulier les NPs recouvertes de bicouches lipidiques, mais sont moins toxiques pour les cellules HepG2. La présence de protéines de sérum de veau fœtal induit la formation d’une couronne de protéines qui influence l’interaction des NPs natives avec les membranes. Par contre, les groupements PEG ou le recouvrement lipidique forment un encombrement stérique limitant l’adhésion des protéines à la surface, qui n’influencent donc pas l’interaction des NPs avec les membranes. D’autre part, les NPs d’ABP ont été recouvertes avec des bicouches lipidiques. Les NPs polyédrique Au@BP contiennent un cœur d’or pour leur conférer des propriétés plasmoniques. La forme des NPs, sphériques, cubiques, cuboïdes ou polyédriques, n’influence pas le recouvrement lipidique. Ces différentes NPs, agrégées à 150 mM de NaCl, sont stabilisées en suspension par la formation d’une bicouche lipidique supportée en surface. L’influence de la forme sur la sécurité biologique des NPs peut ainsi être étudiée, celles-ci ayant des propriétés de surface communes mais différentes formes.

  • Titre traduit

    Study of the nanoparticles surface properties at the interface with biological fluids and cell membranes


  • Résumé

    This work is a part of a multidisciplinary project focused on the safety of nanoparticles (NPs) developed for theranostic applications. The goal of this thesis is to investigate the role of surface chemistry of NPs at the biological interface. Two types of core-shell NPs have been studied: spherical mesoporous silica Fe3O4@MSN, with a diameter of 100 nm and a magnetic core, and cubic, cuboid and polyhedral NPs composed of Prussian blue analogous, presenting sizes comprised between 47 and 67 nm. The polyhedral Prussian blue NPs Au@BP contain a gold core. The NPs present different sizes, shapes and chemical compositions. Mesoporous silica NPs (MSN), particularly studied for their potential medical applications, have been used to evidence the relevance of model membranes to investigate NPs safety. First, Fe3O4@MSN were homogeneously synthesized, in reproducible 100 mg batches. These NPs have been functionalized by PEG grafting and lipid coating. The influence of the surface properties on the NPs stability have been characterized in various media. A human hepatocarcinoma cell line HepG2 have been used to measure the cell viability and observe the uptake kinetics when the cells are incubated with Fe3O4@MSN. To rely the surface properties of the NPs to their cell effects, the interaction of NPs with membrane models have been studied. Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) and surface plasmon resonance (RPS) were used to follow NPs-model membrane interactions. Functionalized NPs were uptaken faster than the bare ones, in particular lipid coated NPs, but were less cytotoxic for HepG2 cells. The presence of fetal calf serum proteins reduces the interaction of bare Fe3O4@MSN with model membranes, due to the protein corona that formed around the NPs. However, the presence of proteins doesn’t change NPs-model membranes interactions when NPs are functionalized by PEG grafting or coated with a lipid bilayer. The PEG groups and the lipid bilayers constitute a steric barrier which reduces the protein adhesion at the NPs surfaces. On the other hand, Prussian blue analogous NPs were also coated with lipid bilayers. The golden core of the polyhedral one’s confers localized plasmon properties. The lipid bilayer coating is equally performed on spherical, cubic, cuboid or polyhedral shapes of the various NPs. These different NPs are aggregated in high ionic strength conditions, with 150 mM NaCl, but dispersed when coated by lipid bilayer. The influence of the shape on the safety of the NPs may be compared, using these NPs with common surface coating but various shapes.


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