Metal-organic frameworks for drug delivery applications

par Cristina Tamames Tabar

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Patricia Horcajada.

Soutenue en 2014

à Versailles-St Quentin en Yvelines en cotutelle avec l'Universidad de Navarra .

mots clés

• Médicaments -- Biodisponibilité
• Chimie organométallique
• Vecteurs de médicaments

Titre traduit

Solides hybrides cristallins pour les applications d'administration de médicaments

Résumé

Ce travail de thèse est centré sur l’étude d’un nouveau type de matériau, les solides hybrides cristallins MOFs (ou Metal-Organic Frameworks) comme systèmes de vectorisation de médicaments. Tout d’abord, les MOFs ont été synthétisés à l’échelle nanométrique (NP) en utilisant des méthodes biocompatibles, quand possible. Leur cytotoxicité, ainsi que celle de leurs ligands constitutives, a été évaluée par le test MTT sur des macrophages murins (J774) et du carcinome cervical (HeLa). Nous avons pu constater: (i) une faible cytotoxicité des MOFs, comparable à celle d’autres particules commercialisées, (ii) une influence importante de la composition du MOF (ordre de toxicité : Fe<Zr<Zn; ligands hydrophiles<hydrophobes), (iii) une toxicité plus élevée sur la lignée J774 que sur la HeLa, associée à sa plus grande activité phagocytique et (iv) le MIL-100(Fe)_NPs est un candidat prometteur pour des bioapplications, montrant une très faible cytotoxicité (IC50=0,7 mg•mL-1) et une internalisation cellulaire rapide, voir immédiate dans les J774. Ensuite, le bioflavonoïde non-toxique génistéine (GEN), avec une activité antitumoral remarquable, a été encapsulé avec succès dans des carboxylates de Fe ou de Zr poreux, obtenant des capacités très élevées (160-340 g GEN•mg formulation-1) en fonction de la structure et composition du MOF. Ces capacités sont bien en dessus de celles reportées par d’autres formulations. En autre, la GEN est libérée progressivement (de 2 jours à quelques semaines) sous des conditions physiologiques simulées, ce qui semble approprié pour son utilisation comme système de libération contrôlée (DDS). L’évaluation de la pharmacocinétique et de la biodisponibilité de la formulation à base du MIL-100(Fe)_NPs a été réalisée et comparée à celle de la GEN libre après une administration unique (30 mg Kg-1) par voie oral aux souris. Nous avons conclu que cette formulation permet d’y obtenir (i) des niveaux de GEN plus élevés et prolongés, (ii) une biodisponibilité relative supérieure et (iii) une meilleure biodisponibilité orale et un temps de demie vie moyenne plus longe. Les niveaux de GEN dans les organes ont été davantage plus élevés et prolongés, suggérant que le MOF puisse protéger la GEN de la métabolisation. Finalement, un nouveau MOF biologiquement actif (BioMIL-5) a été synthétise par une voie totalement biocompatible à basé de deux composants antibactériens et dermatologiques, l’acide azélaïque (AzA) et le Zn. La libération progressive des deux au milieu (l’eau ou le milieu bactérien) à travers la dégradation du BioMIL-5 conduit a un effet antibactérien sur le S. Aureus et le S. Epidermidis. En prime, un effet antibactérien additif a été mis en évidence, avec cependant des concentrations minimales inhibitoires (MIC) et minimales bactéricides (MBC) assez élevées et en accord avec celles des composants isolés. Enfin, le BioMIL-5 a montré une activité bactéricide (4. 3 mg•mL-1) et bactériostatique (0. 9 et 1. 7 mg•mL-1) prolongée (7 jours) sur le S. Epidermidis

Résumé

In this work, a new type of particles denoted as MOFs or Metal-Organic Frameworks have been studied as a new drug carriers. First, they were synthesised at the nanoscale (NPs) using when possible biofriendly methods. Their cytotoxicity, as well as that from their constitutive linkers was evaluated by the MTT test in murine macrophage (J774) and in cervix carcinoma (HeLa) cell lines, observing: (i) a low cytotoxicity of MOFs, comparable with other described particulated systems, (ii) a strong influence of the composition (toxicity order: Fe<Zr<Zn; hydrophilic<hydrophobic linkers), (iii) a higher cytotoxicity in J774 than HeLa due to their higher phagocytosis activity and (iv) MIL-100(Fe)_NPs was an excellent candidate for bioapplications (IC50=0. 7 mg•mL-1). MIL-100(Fe)_NPs are rapidly cell-uptaken, being immediate internalised in J774 cells. Next, the non-toxic bioflavonoid genistein (GEN) with antitumoral properties was successfully encapsulated in porous Fe or Zr carboxylate MOFs, achieving GEN payloads (160-340 g GEN•mg formulation-1) higher than other existing formulations and dependent on their composition and topology. Furthermore, GEN was progressively released under simulated physiological conditions from 2 days to several weeks, being appropriate as a long release DDS. Finally, the pharmacokinetics and bioavailability evaluation of MIL-100(Fe)_NPs’ formulation was carried out in comparison with the free drug after its oral unique administration (30 mg•Kg-1) to mice, depicting (i) higher and longer plasmatic levels, (ii) an increase in the relative and (iii) an better oral bioavailability and a mean residence time. Furthermore, higher and more prolonged drug levels were detected in organs, suggesting that the MOF worked as a drug shelter, protecting GEN from metabolisation. Finally, a new biologically active MOF (denoted BioMIL-5) based on the antibacterial and dermatologically active azelaic acid (AzA) and Zn was successfully synthesised by a totally biofriendly route. Both active components BioMIL-5 were slowly released to the media, either pure water or bacteria medium, upon its structural degradation. Its antibacterial activity was evidenced in S. Aureus and in S. Epidermidis, observing an interesting additive effect with however high minimal inhibitory (MIC) and minimal bactericidal concentrations (MBC), in agreement with the isolated components. Finally, BioMIL-5 exhibited a lengthened bactericidal (4. 3 mg•mL-1) and bacteriostatic (0. 9 y a 1. 7 mg•mL-1) in contact with S. Epidermidis for one week