Rôle des lipoprotéines plasmatiques dans la biodisponibilité et activité biologique des nanomédicaments à base de prodrogues lipidiques.

par Eléonore Coppens D'Eeckenbrugge (Coppens)

Projet de thèse en Pharmacotechnie et biopharmacie

Sous la direction de Patrick Couvreur et de Simona Mura.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (2015-.... ; Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Institut Galien Paris-Sud (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Après administration intraveineuse, les nanomédicaments (vecteurs de taille nanométrique chargées en médicament) vont interagir avec de nombreuses molécules endogènes, notamment celles présentes dans la circulation sanguine. En fonction de la composition chimique du nanovecteur, ces molécules vont conférer à celui-ci une signature spécifique,[1,2] qui va orienter sa biodistribution et sa reconnaissance par certaines cellules de l'organisme.[3,4] Plusieurs études concernant l'identification des protéines adsorbées à la surface des nanovecteurs ont été menées alors que moins d'attention a été consacrée à l'interaction avec les lipoprotéines (LPs) qui jouent cependant un rôle considérable dans la biodistribution des médicaments.[5] Or, un nombre élevé de récepteurs aux LPs a été observé dans les cellules à croissance rapide et des études ont démontré que certaines cellules cancéreuses surexpriment ces récepteurs. De ce fait, l'utilisation des LPs comme vecteurs de médicaments anticancéreux a été proposée afin de favoriser le ciblage des cellules tumorales. [6,7] Notre équipe a développé un concept de vectorisation très original qui consiste à coupler le squalène (un lipide naturel, précurseur de la biosynthèse du cholestérol) à des petites molécules médicamenteuses (concept de squalénisation).[8] Le bioconjugué (SQGem) issu du couplage chimique de la gemcitabine (Gem), une molécule anticancéreuse, au squalène est capable d'auto-organisation sous forme de nanoparticules qui se sont révélées beaucoup plus actives que la gemcitabine seule sur de nombreux modèles de tumeurs expérimentales.[9-10] Très récemment, nous avons proposé le concept de vectorisation « indirecte » basé sur la capture et le transport spontané des dérivés squalénés, dont la SQGem, par les LPs plasmatiques. [11] Les résultats obtenus in vitro et in vivo démontrent clairement l'association préférentielle de la SQGem aux LPs et sa corrélation avec la quantité de cholestérol présente dans ces derniers. De plus, les simulations in silico effectuées ont révélé l'incorporation de SQGem dans le noyau hydrophobe des LPs. Cette interaction spécifique a été mise à profit pour effectuer le ciblage indirect, via les LPs, des cellules cancéreuses à la fois in vivo et in vitro. En conclusion, il a été démontré que le couplage d'un résidu lipidique, comme le squalène, à des molécules à activité pharmacologique permettait de déclencher l'interaction avec les lipoprotéines et de modifier la pharmacocinétique et biodistribution du principe actif. L'objectif de la thèse sera de savoir si le squalène est le meilleur adjuvant de ciblage des lipoprotéines ou bien si d'autres résidus lipophiles peuvent être plus efficaces. Le présent projet de recherche vise donc à (i) concevoir une bibliothèque de nanoparticules à base de nouvelles prodrogues lipidiques de la gemcitabine ; (ii) évaluer leur capacité (ou incapacité) à interagir avec les lipoprotéines et (iii) mettre en évidence la manière dont cette interaction peut influencer le profil pharmacocinétique, l'activité pharmacologique et la toxicité. Pratiquement, différents bioconjugués seront synthétisés en remplaçant le squalène par d'autres molécules lipophiles (acides gras linéaires saturés ou insaturés, monoglycérides, diglycérides, phospholipides etc.) et en étudiant leur capacité à s'assembler sous forme de nanoparticules. L'interaction avec les différentes classes de lipoprotéines sera évaluée in vitro selon plusieurs protocoles expérimentaux déjà maîtrisés au sein de notre équipe. Les résultats permettront d'établir une relation entre la nature du bioconjugué et la classe de lipoprotéines avec laquelle il interagit. Les nanoparticules présentant une accumulation préférentielle dans chacune des fractions lipoprotéiques seront ensuite évaluées in vivo chez la souris afin de déterminer l'influence de la nature des interactions nanoparticules/lipoprotéines sur leur devenir dans l'organisme. Ce projet générera de nouvelles connaissances sur les paramètres physico-chimiques et les mécanismes qui régissent l'interaction des nanoparticules à base de prodrogues lipidiques avec les lipoprotéines. Il permettra, par ailleurs, de générer des nouvelles informations sur les relations structure/activité/toxicité.

  • Titre traduit

    Role of plasma lipoproteins on the bioavailability and biological activity of lipid prodrug-based nanomedicines.


  • Résumé

    Once introduced in the body, nanoparticles encounter a complex biological environment composed of a plethora of endogenous molecules. In function of the composition of the surrounding biological environment (depending on the administration route), as well as the nanoparticle physico-chemical properties (e.g., material, size, surface charge and functionalization), nanoparticles immediately interact with a specific set of biomolecules, thereby acquiring certain biological identity.[1,2] This identity will govern the in vivo fate of nanoparticles in terms of biodistribution, pharmacokinetics, therapeutic efficacy and potential toxicity.[3] The interacting biomolecules might (i) hinder the nanoparticles recognition by the targeted cells or, on the contrary, (ii) increase the specific interaction of the nanoparticles with the corresponding biological target.[4] While a great deal of attention has been focused to identify the proteins adsorbed at the nanoparticles surface, only few studies investigated the interaction of nanoparticles with circulating lipoproteins (LPs). Lipoproteins display various structures and functions and according to their ultracentrifugation flotation density and electrophoretic mobility, they can be classified into chylomicrons (CM), very low density lipoproteins (VLDL), low density lipoproteins (LDL) and high density lipoproteins (HDL). The association of many hydrophobic drugs with LPs has been described and it is well known that it can have a strong impact on the drug disposition and pharmacological activity. Accordingly, since 2002, the US Food and Drug Administration (FDA) has recommended the introduction of lipoprotein-drug distribution studies for every novel drug with hydrophobic character.[5] In addition, LPs have been described as excellent carriers for targeted delivery of various drugs due to their endogenous, non-toxic, long-circulating nature and to their ability to be recognized and taken up via the LP receptors.[6,7] However, the development of lipoproteins for drug delivery has been hampered by the difficulty to prepare reproducible batches of drug loaded endogenous LPs or to formulate synthetic lipoprotein like-systems. In this context, we have recently discovered that it was possible to exploit the circulating lipoproteins as “indirect” natural carriers of intravenously administered drug molecules, if these drugs are equipped with a lipoprotein-affine moiety.[11] The proof of concept of this approach has been achieved by the chemical linkage of the anticancer drug gemcitabine (Gem) to squalene (SQ, a natural lipid precursor of the cholesterol's biosynthesis) which, additionally, triggers the self-assembly of the squalene-drug bioconjugates into nanoparticles (SQGem NPs).[8-10] By virtue of the bio-similarity between SQ and cholesterol (the natural load of lipoproteins), the gemcitabine-squalene bioconjugates were found to be capable to spontaneously interact and then be transported by plasma lipoproteins in the blood circulation. As a result, the interaction between SQGem nanoparticles and LDL (i.e., cholesterol-rich particles in humans) was able to mediate the efficient targeting towards cancer cells with high LDL receptor expression. This led to a higher therapeutic activity in tumor-bearing mice compared to the free drug. These results demonstrated for the first time that the insertion of gemcitabine into lipoproteins, driven by the squalene moiety, can be applied for indirect cancer cell targeting. Moreover, we showed that not only SQGem nanoparticles but also other SQ-derivatives were capable to interact with lipoproteins, thus opening an entirely new perspective, which may significantly advance the application of LDL as “indirect” drug delivery systems. But a question immediately arises, whether the squalene only or also other lipid based molecules can trigger strong interaction with lipoproteins. Thus, the present thesis research project aims to design a library of nanoparticles made of novel lipid-prodrugs of gemcitabine and to assess their capacity (or not) to interact with lipoproteins. The thesis will also investigate how this interaction might further influence the pharmacokinetic profile, the pharmacological activity and the toxicity of the lipid-based nanomedicines. Practically, a library of lipid prodrug bioconjugates will be synthetized by replacing the squalene with other lipophilic moieties (e.g., linear saturated or unsaturated fatty acids, monoglycerides, diglycerides, phospholipids etc.) and then assembled in form of nanoparticles. The interaction with the different class of lipoproteins will be evaluated in vitro according to experimental protocols already available in our team. Results will allow to establish a relationship between the structure of the bioconjugate and the class of lipoprotein with which it will interact. Then, in vivo experiments will be performed to assess how the specific uptake by lipoproteins can further influence the biodistribution of the different bioconjugates. This project will also generate new knowledge on the physico-chemical parameters and the mechanisms which govern the interaction of lipid prodrug nanoparticles with lipoproteins.