(CONTRAT DOCTORAL) Confinement de molécules photo-actives dans les nanotubes de carbone pour les applications theranostisques

par Romain Chambard

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Laurent Alvarez et de Jean-louis Bantignies.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    Les nanothetchnologies1-4 ouvrent aujourd'hui des perspectives concrètes pour la théranostique de pathologies cancéreuses (fonctions de thérapie et de diagnostic) avec le développement de nano-particules uniques ayant des fonctionnalités d'imagerie (IRM, fluorescence, ultrasons, rayonnement visible) et de thérapie (hyperthermie, relargage de principes actifs, radicaux libres, rayons X). Les nano-particules peuvent permettre de surmonter les problèmes de solubilité des molécules et de stabilité chimique, un ciblage spécifique des tissus malades, un diagnostic précoce et d'améliorer la délivrance de médicament par nano-vectorisation et ainsi réduire les effets secondaires. Dans ce contexte, les nanotubes de carbone, chimiquement inertes et aux propriétés physiques modulables sont d'excellents candidats potentiels pour des applications en nanomédecine. 1-4 Afin d'obtenir un nano-objet multifonctionnel (ciblage, diagnostic et thérapie) et d'optimiser les effets théranostiques, il est impératif de contrôler les propriétés physiques des nanotubes et de les moduler par la création d'un nano-système hybride (NSH). Plus précisément, le principe consiste en une fonctionnalisation externe (dédiée au ciblage) et un confinement de molécules à l'intérieur du nanotube (pour le diagnostic et la thérapie). L'efficacité du NSH est clairement gouvernée par les interactions entre la matrice et les molécules confinées. Les progrès récents concernant l'élaboration et l'étude des propriétés physiques des NSH 5-7 dans notre groupe rendent aujourd'hui crédible une étude sur ce sujet. L'objectif de la thèse est l'élaboration et l'étude des propriétés physiques et theranostiques de nanoplateformes hybrides pour des applications en nanomédecine. Ce projet de doctorat est à l'interface d'études physiques de molécules photoactives sous nanoconfinement et d'études d'efficacité biologique in cellulo et in vivo. Le projet est divisé en 3 étapes : 1) L'élaboration de plateformes hybrides : le confinement de molécules photo-actives dans la cavité des nanotubes est une étape clef pour la théranostique. Il permet d'amplifier l'absorption d'une radiation incidente et de déclencher des processus photo-induits (effet Raman résonnant, photoluminescence, effet photoacoustique…) assurant le diagnostic grâce à la détection in vivo (par rayonnement ou imagerie photoacoustique) et la thérapie par effet photothermique. Les mécanismes de ciblage ont été largement étudiés, ils nécessitent une fonctionnalisation externe des nanoobjets avec des peptides. Cette étape sera réalisée sur les tubes encapsulés les plus prometteurs (voir étape 2) en collaboration avec des chimistes spécialistes de la fonctionnalisation des tubes au CEA Saclay. L'efficacité du ciblage (collaboration IBMM) sera effectuée en comparant la cinétique et la concentration des nanotubes dépourvus de séquences de ciblage, avec les NSH fonctionnalisés, internalisés dans des lignées cellulaires cancéreuses par microscopie de fluorescence. 2) L'étude des propriétés physiques des nanosystèmes hybrides (structure, interactions physiques, effets photo-induits…). Elles confèrent au matériau des propriétés d'imagerie (effets Raman ou photo-acoustique) et la capacité de transformer le rayonnement incident en chaleur (pour la photothérapie). On s'attend à des effets photothermiques privilégiés lorsque l'encapsulation est réalisée dans des tubes métalliques avec des molécules à fort transfert de charge. A l'opposé, des molécules encapsulées dans des tubes semiconducteurs sans transfert de charge seraient plus adaptéess à l'imagerie photoacoustique. L'étude des propriétés physiques des NSH sous forme individuelle sera réalisée par diffusion Raman et spectroscopies de photoluminescence et d'électroluminescence en fonction de : i) la nature des espèces fonctionnalisées ii) le taux de fonctionnalisation iii) l'organisation supramoléculaire des espèces confinées iv) le diamètre des nanotubes v) le caractère métallique ou semiconducteur des nanotubes. L'objectif est la compréhension des phénomènes électrooptiques activés optiquement à l'interface molécule confinée/nanotube (création et durée de vie d'un exciton, transfert électronique HUMO/bande de conduction, transfert d'exciton..) en fonction des différents paramètres. Il s'agira in fine de déterminer les NSH les plus favorables à la conversion de l'énergie optique en énergie mécanique (effet photo-acoustique) et thermique (effet photo-thermique). Les nanoplateformes les plus prometteuses seront étudiées pour leur potentiel théranostique in cellulo puis in vitro. 3) L'évaluation de l'efficacité de ces nanosystèmes pour des applications de diagnostic et pour la thérapie par photothermie, sera développée in cellulo (M. Morris, IBMM) et in vivo. Les propriétés photoacoustiques des NSH seront mesurées d'abord dans des milieux cellulaires, puis in vivo chez la souris. Les NSH les plus prometteurs seront imagées de manière non-invasive dans des animaux vivants par imagerie photoacoustique. La biodistribution, la pharmacocinétique et l'élimination seront étudiées (collab. V.Josserand, IAB, Grenoble). De plus nous étudierons le potentiel photothermique de ces systèmes pour l'endommagement spécifique de cellules cancéreuses ciblées d'une part, de xenogreffes tumorales d'autre part. Références : 1 S. Marchesan et al. Materials today, (2015), 18, 12-19, 2 E. Heister et al.App. Mater. Interfaces, 2013, 5, 1870-1891 3 X. Wang et al. Chinese Science bulletin, 2012, 57, 2-3, 167-180 4 H. He et al. Bio. Med Research International, (2013), vol 2013, 1 5 L. Alvarez et al. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 5203 6 Y. Almadori et al., J. Phys. Chem. C 2014, 118, 19462 7 L. Alvarez et al. J. Phys. Chem, (2011), 115, 11898

  • Titre traduit

    Confinement of photo-active molecules within carbon nanotubes for theranostic applications


  • Résumé

    Nanotechnology1-4 opens up real perspectives for cancer therapies (therapy and diagnostic functions) with the development of unique nano-particles with imaging properties (MRI, fluorescence, ultrasound, visible light) and therapy (hyperthermia effect, release of active agents, free radicals, X-rays). Nano-particles can overcome problems of solubility of molecules and chemical stability, specific targeting of diseased tissues, early diagnosis and improve drug delivery by nano-vectorization and thus reduce side effects. In this context, carbon nanotubes, chemically inert, with tunable physical properties are excellent candidates for nanomedicine applications. 1-4 In order to obtain a multifunctional nano-object (targeting, diagnosis and therapy) and to optimize the theranostic effects, it is mandatory to control the physical properties of the nanotubes and to modulate them by the elaboration of a Hybrid Nano-System (NSH). More precisely, the principle consists of an external functionalization (dedicated to targeting) and a confinement of molecules inside the nanotube (for diagnosis and therapy). The NSH efficiency is clearly governed by interactions between the matrix and the confined molecules. Recent advances in the development and study of the physical properties of NSH 5-7 in our group make this study reliable. The objective of the thesis is the development and study of the physical and theranostic properties of hybrid nanoplatforms for nanomedicine applications. This Ph.D project is at the interface of physical studies of photoactive molecules under nanoconfinement and studies of biological in cellulo and in vivo efficacy. The project is divided into 3 steps: 1) The development of hybrid platforms: the confinement of photoactive molecules in the cavity of the nanotubes is a key step for theranostic applications. It allows to amplify the absorption of an incident radiation and to trigger photoinduced processes (resonant Raman effect, photoluminescence, photoacoustic effects ...) allowing diagnosis thanks to the detection in vivo (by radiation or photoacoustic imaging) and therapy by photothermal effect. Targeting mechanisms have been widely studied, requiring external functionalization of nanoobjects with peptides. This step will be carried out on the most promising encapsulated tubes (see step 2) in collaboration with chemists from CEA Saclay having good expertise in tube functionalization. The efficiency of targeting (IBMM collaboration) will be carried out by comparing by fluorescence microscopy the kinetics and the concentration with respect to raw nanotubes (without targeting sequences) of the functionalized NSH internalized in cancer cell lines. 2) The study of the physical properties of hybrid nanosystems (structure, physical interactions, photo-induced effects, etc.): they confer imaging properties (Raman or photo-acoustic effects) and the ability to transform the incident radiation into heat (for phototherapy). Enhanced photothermal effects are expected when encapsulation is performed in metal tubes with electron donor molecules. In contrast, molecules encapsulated in semiconductor tubes without charge transfer are expected to be more suitable for photoacoustic imaging. The study of the physical properties of individual NSH will be carried out by Raman scattering, photoluminescence and electroluminescence spectroscopies as a function of: i) the nature of the functionalized species ii) the rate of functionalization iii) the supramolecular organization of the confined species Iv) the diameter of the nanotubes v) the metallic or semiconducting character of the nanotubes. The aim is to understand optically activated electro-optical phenomena at the interface between the confined molecule and the nanotube (creation and lifetime of an exciton, electronic transfer HUMO / conduction band, exciton transfer) according to the different relevant parameters. The ultimate objective is to determine the most favorable NSH for the conversion of optical energy into mechanical (photo-acoustic effect) and thermal energy (photo-thermal effect). The most promising nanoplateforms will be studied for their theranostic potential in cellulo and then in vitro. 3) The evaluation of the efficiency of these nanosystems for diagnostic applications and for photothermal therapy will be developed for proof of concept in cellulo (M. Morris, IBMM) and in vivo. The photoacoustic properties of NSH will be measured in cellular media and then in vivo in mice. NSH will be imaged non-invasively in live animals by photoacoustic imaging. Their biodistribution, pharmacokinetics and elimination pathways will be studied (V.Josserand, IAB, Grenoble). In addition, the photothermal potential of these systems will be investigated to specifically damage targeted cancer cells on the one hand, and tumour xenografts on the other. Références : 1 S. Marchesan et al. Materials today, (2015), 18, 12-19, 2 E. Heister et al.App. Mater. Interfaces, 2013, 5, 1870-1891 3 X. Wang et al. Chinese Science bulletin, 2012, 57, 2-3, 167-180 4 H. He et al. Bio. Med Research International, (2013), vol 2013, 1 5 L. Alvarez et al. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 5203 6 Y. Almadori et al., J. Phys. Chem. C 2014, 118, 19462 7 L. Alvarez et al. J. Phys. Chem, (2011), 115, 11898