Biotransformations, dégradation et cycle de vie des nanoparticules d'or en milieu intracellulaire

par Alice Balfourier

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Florent Carn et de Florence Gazeau.

Le président du jury était Anna Bencsik.

Le jury était composé de Florent Carn, Florence Gazeau, Anna Bencsik, Clotilde Policar, Xavier Le Guevel, Muriel Barberi-Heyob, Bruno Chaudret.

Les rapporteurs étaient Clotilde Policar, Xavier Le Guevel.


  • Résumé

    Les nanoparticules d'or possèdent des propriétés optiques uniques qui en font des outils prometteurs pour l'imagerie médicale, la thérapie ou le diagnostic. Toutefois, le cycle de vie de ces nanoparticules reste encore relativement mal connu à l'échelle cellulaire. A court terme, les nanoparticules sont internalisées par les cellules et séquestrées au sein des lysosomes, qui sont les compartiments intracellulaires chargés de la dégradation et du recyclage des composés endogènes défectueux ou exogènes. Nous avons concentré notre étude sur cette étape du cycle de vie des nanoparticules, et en particulier sur la dualité du lysosome et des nanoparticules qu'il contient. Dans un premier temps nous avons étudié ce système du point de vue du lysosome, et plus particulièrement l'impact des nanoparticules d'or sur son intégrité structurelle et fonctionnelle. Dans un second temps, nous avons considéré ce système du point de vue des nanoparticules elles-mêmes et de leurs biotransformations en milieu lysosomal. Dès leur séquestration dans le lysosome, les nanoparticules s'agrègent, ce qui module leurs propriétés optiques des nanoparticules d'or, et peut donc modifier leur potentiel médical. Afin de mieux comprendre cette première biotransformation, nous avons caractérisé la nature des agrégats formés au sein du lysosome, et mis en lumière le potentiel thérapeutique des agrégats de nanosphères, qui isolées sont jugées médicalement non pertinentes. Enfin, nous nous sommes intéressés au devenir des nanoparticules d'or dans des cellules sur une période de six mois. Nous avons démontré que, contrairement au credo scientifique jugeant que les nanoparticules d'or sont bio-inertes, celles-ci étaient dégradées in vitro. Ce phénomène a été observé des quelques jours, et est suivi d'une recristallisation de l'or libéré. L'analyse transcriptomique des voies biologiques activées au cours de cette biodégradation a permis d'identifier les composés biologiques impliquées dans cette transformation, mais aussi d'identifier des similitudes dans la réponse à aux nanoparticules d'or et à l'or ionique, suggérant qu'il existe un métabolisme commun à ces deux formes d'or. Cette analogie ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension du cycle de vie des nanoparticules mais aussi pour la thérapie. En conclusion, ce travail de thèse a permis de mettre en lumière de nouvelles étapes du cycle de vie des nanoparticules d'or, et d'en déduire de possibles voies thérapeutiques tirant partie de processus biologiques non exploités, tout en gardant en ligne de mire les questions toxicologiques liées aux nanomatériaux.

  • Titre traduit

    Intracellular biotransformations, degradation and life cycle of gold nanoparticles


  • Résumé

    Gold nanoparticles display unique optical properties, and are considered as promising devices for medical imaging, therapy and diagnostic. Nevertheless, nanoparticles life cycle is still poorly understood at the cellular range. On the short term, nanoparticles are internalized by cells and sequestrated into the lysosomes, which are the intracellular vesicles responsible for the degradation and recycling of damaged endogenous and exogenous compounds. We focus our study on this step of nanoparticle life cycle, and more precisely on the lysosome and its nanoparticles content. Firstly, we studied this system from the lysosome point of view, and the impact of gold nanoparticles on its structural and functional integrity. Secondly, we considered the nanoparticles point of view, and the biotransformation they undergo in the lysosome. Once sequestrated into the lysosome, nanoparticles aggregate which modulate their optical properties, and thus modify their therapeutic potential. In order to capture this first biotransformation, we characterized the nature of these intracellular aggregates, and highlight the therapeutic potential of gold nanosphere aggregates, while they are considered as medically irrelevant when dispersed. Finally, we focus our study on the fate of gold nanoparticles in cells during six months. We demonstrate that gold nanoparticles were degraded in vitro, despite the current dogma that assert that gold nanoparticles are bio-inert. This process was proven to take place within days, and to be followed by the recrystallization of released gold. Transcriptomics analysis of the biological pathways activated in this biodegradation reveals the biological actors involved in this transformation, and to identify similarities between the response to gold nanoparticles and ionic gold, suggesting a common gold metabolism. This analogy opens up new prospects for the understanding of gold nanoparticle life cycle, but also for therapy. To conclude, the work presented in this thesis put into light new steps in gold nanoparticles life cycle, that enable us to propose therapeutic strategy that take advantages from fortuitous phenomena, while keeping in mind nanotoxicological issues.


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