Iodinated polymer nanoparticles as contrast agents for spectral CT

par Joëlle Balegamire

Thèse de doctorat en Sciences pharmaceutiques

Sous la direction de Yves Chevalier.

Soutenue le 28-03-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent David.

Le jury était composé de Yves Chevalier, Loïc Boussel, Giuseppe Digilio.

Les rapporteurs étaient Christine Vauthier, Emmanuelle Marie-Begue.

  • Titre traduit

    Nanoparticules de polymères iodés comme agents de contraste pour un scanner spectral


  • Résumé

    Le scanner spectral à comptage photonique (SPCCT) associé à des agents de contraste spécifiques pourrait détecter certaines inflammations cardiovasculaires à un stade précoce. Les agents de contraste utilisés actuellement en imagerie à rayons X sont des petites molécules qui sont éliminées du système cardiovasculaire en quelques minutes. D’où la nécessité de développer des nanosystèmes présentant des nouvelles caractéristiques intéressantes (ciblage passif/actif, temps de circulation sanguine prolongé, etc.). Dans ce projet de recherche, des nanoparticules (NPs) de polymères iodés ont été produites à l’aide du procédé de nanoprécipitation. Dans un premier temps, les paramètres de procédé et de formulation ont été optimisés pour fournir un agent de contraste répondant à des spécifications physicochimiques précises. Des nanoparticules composées d’une matrice de polymère iodé enveloppée de PEG ont été formulées. Ces suspensions de NPs sont extrêmement stables (jusqu’à 8 mois dans l’eau et dans le sérum humain), monodisperses, avec un diamètre moyen de 150 nm. Une concentration en iode de 100 g(I). mL-1 obtenue après une étape de centrifugation / redispersion a fourni un agent de contraste avec une radiopacité dans la gamme appropriée pour l’imagerie du système cardiovasculaire et l’étude de la biodistribution. Les algorithmes de reconstructions implémentés dans le SPCCT (Décomposition de la matière et reconstruction K-edge), ont permis une quantification précise de l’iode, ainsi qu’une discrimination spécifique du gadolinium et de l’iode dans des phantoms contenant un mélange des deux éléments. La biodistribution a été évaluée après injection des NPs à des rats par voie intraveineuse. Les NPs permettent une visualisation détaillée du système cardio-vasculaire, accompagnée d’une accumulation progressive dans le foie et la rate. Ces deux organes étaient toujours visibles 15 jours après l’injection. Une étude de biodégradation des NPs a été menée sur des cellules de macrophages. Malgré la biodégradabilité potentielle des polymères, les NP intériorisées par les macrophages par phagocytose au cours d’une incubation de 5 heures restent intactes pendant 5 semaines, tandis que certaines cellules sont dégradées. Des NPs ciblant la tropoélastine ont également été synthétisées pour l’imagerie active de la plaque d’athérosclérose au niveau moléculaire. Un test Biacore a montré une affinité des NPs conjuguées avec le peptide de ciblage vis-à-vis de la molécule réceptrice


  • Résumé

    The Spectral Photon Counting Computed Tomography (SPCCT) technology associated with specific contrast agents could detect some cardiovascular inflammations at an early stage. Currently, contrast agents for CT are small molecules that are eliminated from the cardiovascular system within few minutes. Hence there is a need to develop nanosystems that present new interesting features (passive/active targeting, long blood circulation times, etc.). In this work, iodinated polymer nanoparticles (NPs) were produced using the nanoprecipitation process. First, the process and formulation parameters were optimized to provide a contrast agent that meets definite physicochemical specifications. Highly stable (up to 8 months in water and human serum), monodisperse suspensions of spherical NPs with an average diameter of 150 nm were obtained. The iodinated polymer matrix core is coated by a PEG shell. An iodine concentration of 100 g(I).mL-1 reached after a centrifugation/redispersion step provided radiopacity of the contrast agent in the right range for imaging cardiovascular system and studies of biodistribution. SPCCT material decomposition and K-edge reconstruction allowed accurate quantification of iodine, as well as specific discrimination of gadolinium and iodine in phantoms containing mixtures of both elements. Biodistribution was assessed after intravenous injection of iodinated polymer NPs to rats, revealing a clear visualization of the cardiovascular system, and progressive accumulation in liver and spleen. These organs were still visible up to 15 days post-injection. A biodegradation experiment was carried out on macrophages cell culture. Despite the potential biodegradability of the polymers, NPs internalized by the macrophages after a 5h incubation via the phagocytosis mecanism, remained intact during 5 weeks, while some cells were degraded. Tropoelastin targeting NPs were also developed for active imaging of the atherosclerosis plaque at the molecular level. A Biacore test showed specific affinity of the NPs conjugated with the targeting peptide towards tropoelastin



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 28-03-2024

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