Les conjugués phospholipide-porphyrine, stratégie potentielle du composé unique pour la conception et le développement de nanovecteurs multifonctionnels destinés au traitement d'infections bactériennes résistantes aux antibiotiques

par Louis Bronstein

Projet de thèse en Pharmacotechnie et biopharmacie

Sous la direction de Véronique Rosilio et de Ali Makky.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Galien Paris-Sud (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    En raison de l'émergence de souches bactériennes résistantes aux antibiotiques (MDR) responsables de maladies telles que l'abcès sous-cutané, il est devenu indispensable de trouver de nouvelles voies d'éradication bactérienne. Les abcès sous-cutanés sont des infections locales souvent traitées par une incision locale, un drainage et une administration par voie systémique d'antibiotiques à forte dose. Cependant, cette dernière stratégie représente un réel enjeu en raison du manque de vascularisation des tissus infectés. En outre, certaines bactéries résistantes à la méthicilline comme Staphylococcus aureus (MDR) sécrètent des protéases qui permettent leur dissémination dans des couches profondes et rendent le traitement par des peptides antibactériens inefficaces. Récemment, les photothérapies, y compris la photothérapie thermique (PTT) et la photothérapie dynamique (PDT), se sont révélées comme des stratégies efficaces pour le traitement des infections bactériennes. La conception de nouveaux systèmes de délivrance de photosensibilisateurs permettant une thérapie bimodale (PDT/PTT) efficace contre les infections bactériennes représente une réelle alternative à l'antibiothérapie classique. L'objectif principal de ce projet est de développer un nouveau système médicamenteux multifonctionnel pour le traitement d'infections bactériennes locales résistantes, sans l'utilisation d'antibiotique. Le système proposé consiste en un seul composant organique, biocompatible, biodégradable et facilement reproductible à l'échelle industrielle. Ce composant organique (Pl-Por) est formé d'un dérivé porphyrinique couplé à une 2-lysophosphatidylcholine via une liaison peptidique. Cette dernière pourrait être clivée spécifiquement au niveau du site infecté. Les Pl-Por peuvent s'auto-assembler en des structures similaires aux vésicules lipidiques avec des molécules de porphyrines bien ordonnées et compactes. Dans ces structures, la fluorescence du photosensibilisateur (PS, dérivé de porphyrine) est complètement quenchée de telle sorte qu'il constitue un agent photothermique efficace (PTT). Les conjugués Pl-Por peuvent régénérer leur activité photodynamique (PDT) in situ, suite à la libération des molécules de porphyrine induite par l'activité des peptidases surexprimées dans les tissus infectés (i.e. Type I signal peptidase de Staphylococcus Aureus, SA). Ce système de délivrance des médicaments permet ainsi une thérapie bimodale (PTT/PDT) des infections bactériennes locales. Les molécules de porphyrines compactées présentent plusieurs propriétés intéressantes : (i) elles provoquent un décalage du spectre d'absorption vers la région du proche infrarouge, favorisant ainsi une meilleure pénétration de la lumière, et une thérapie bimodale à deux longueurs d'onde différentes ; (ii) elles permettent une délivrance d'un nombre important de molécules de porphyrine pour intensifier l'effet PDT. Au-delà du développement d'une nouvelle classe de DDS à base d'un composant organique unique, ce projet consiste à étudier les propriétés biophysiques (structure supramoléculaire, cinétique de clivage, cytotoxicité in vitro, etc.) des vésicules, ainsi que leur efficacité antibactérienne in vitro sur des souches de Staphylococcus aureus, et in vivo sur un modèle animal portant un abcès cutané. En effet, les abcès cutanés sont des infections bactériennes qui sont souvent traitées par une incision locale, drainage avec administration des doses élevés des antibiotiques. Le système proposé sera administré par voie sous-cutanée. Une première illumination activera l'activité antibactérienne photothermique. Ensuite, après la rupture des liaisons peptidiques, les molécules de porphyrines seront libérées et illuminées à leur longueur d'onde spécifique afin qu'elles puissent exercer leur activité antibactérienne par PDT.

  • Titre traduit

    Phospholipid-porphyrin conjugates, a potential one-component strategy for the conception and development of multifunctional drug delivery systems for the treatment of antibiotic resistant bacterial infections


  • Résumé

    Many nanocarriers such as liposomes, organic and inorganic nanoparticles have been developed for drug delivery. Among myriads of successful applications, multifunctional/stimuli-responsive nanocarriers have emerged as a promising nanotechnology compared to conventional nanomedicines, due to their unique spatio-temporal controlled activation/release mechanism. Although several novel smart drug delivery systems (SDDS) have been designed, most of them are still in development process or early clinical phases. This is mostly due to their complexity, since they are composed of multiple components to provide the multifunctional properties. The conception of these DDS presents several shortcomings, including the requirement for multistep synthesis and purification, complex toxicity studies for the multiple components and potentially heterogeneous formulations that jeopardize clinical translation as well as production at industrial scale 1-3. Thus, there is an urgent need to develop new systems that bypass such issues and pave the way for their industrial development and production for the treatment of multiple diseases. This project is focused on the development a new multifunctional drug delivery system (DDS) for the treatment of local bacterial infections without antibiotics. The proposed system is composed of a single organic building block which is biocompatible, biodegradable and its synthesis can easily be scaled up. The building block is a phospholipid-porphyrin conjugates (Pl-Por) 4 composed of a porphyrin derivative coupled via a peptidic bond to a specific bridging group grafted to a 2-lysophosphatidylcholine. This bridging group can be cleaved specifically in the disease site. The Pl-Por conjugate can self-assemble into liposome-like structures with densely packed porphyrin molecules. In the nanoassemblies, the fluorescence of the photosensitizer (PS) is quenched, so that upon illumination it becomes an efficient cytotoxic photothermal agent (PTT). The Pl-Por conjugate can regenerate its photodynamic activity in situ, via release of the Por by cleavage of its peptidic bond by peptidases overexpressed in many infected tissues (i.e. the type I signal peptidase of Staphylococcus aureus, SA) 5. Such drug delivery system (DDS) thus allows bimodal therapy (PTT/PDT). It is noteworthy that densely packed porphyrin molecules possess several additional interesting properties: (i) they cause a redshift in the absorption spectrum of the Por towards the NIR region 6, thus promoting deeper penetration of the light, and a bimodal therapy at two different activation wavelengths (ii) they provide an unprecedented high payload delivery of Por to maximize the PDT effect. Beyond the preparation of a new class of one component drug delivery system, the aim of this work is also to study the biophysical properties of such material (supramolecular structure, degradation rate, in vitro cytotoxicity, etc), and finally analyze its bactericidal efficiency in vitro on Staphylococcus aureus strains and in vivo on a model of subcutaneous abscess (SCA). SCA is a local infection commonly treated by local incision, drainage and high-dose antibiotics. We propose a subcutaneous (SC) administration of DDS. A first illumination will activate the photothermal antibacterial activity. Then, after cleavage of the peptidic bonds, Por molecules will be released and illuminated at a specific wavelength to exert their PDT antibacterial activity.