Caractérisation et optimisation des nanoparticules CADY/siRNA en vue d’une application in vivo

Characterization and optimization of CADY/siRNA nanoparticles for an in vivo application

• Auteur / Autrice : Karidia Konate
• Direction : Prisca Boisguerin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 27/05/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche de Biochimie Macromoléculaire (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Prisca Boisguerin, Sandrine Sagan, Véronique Rosilio, Magali Gary-Bobo, Pierre-Emmanuel Milhiet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Sagan, Véronique Rosilio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

ARN interférence

Peptides vecteurs

Mots clés libres

Peptides vecteurs

SiRNA

Interaction lipidique

Formulation

Fonctionnalisation

Nanoparticules

Cell penetrating peptides

SiRNA

Lipidic interaction

Formulation

Functionalization

Nanoparticles

Résumé

Les « cell penetrating peptides » (CPPs) sont des vecteurs peptidiques capables de délivrer diverses molécules (acides nucléiques, protéines, peptides, petites molécules, etc.) à l'intérieur des cellules de mammifères. Notre laboratoire a élaboré le vecteur amphipatique secondaire CADY capable de transporter, indépendamment de toute voie d'endocytose, des molécules thérapeutiques telles que les petits ARN interférents (siRNA). En effet, leur potentiel thérapeutique réside dans leur capacité à inhiber de manière spécifique l'expression de protéines dérégulées dans un cadre pathologique.Le sujet de ma thèse s'est centré sur la caractérisation et l'optimisation des complexes CADY/siRNA. Au cours de mes travaux, nous avons pu mettre en évidence que CADY adoptait une structure en hélice alpha en présence du siRNA ce qui conduit à la formation des nanoparticules. Notre étude a eu pour but d'optimiser la séquence de CADY et de contrôler sa formulation pour permettre le transfert de notre système de vectorisation d'une application in cellulo à une application in vivo. En premier lieu, nous avons mené une étude de relations structure-activité avec six peptides analogues de CADY, en réalisant des mutations sur les résidus tryptophanes (PSF1, PSF2, PSF3 et PSW) et sur la zone initiatrice de l'hélice alpha (PG9, PG16). L'analyse approfondie de ces analogues a permis de confirmer que la limitation du caractère amphipathique et du polymorphisme structural des vecteurs conduisaient à une réduction de l'efficacité d'internalisation. Parmi les 6 analogues, seules les nanoparticules à base de PG9 et PG16 présentent des résultats in cellulo comparables à ceux obtenus avec les nanoparticules CADY/siRNA. A ce jour, la séquence primaire de CADY étant la plus adaptée pour la transfection de siRNA, nous avons établi une procédure de formulation standardisée permettant un autoassemblage CADY/siRNA reproductible et homogène, dont la taille moyenne est de 106 ± 31 nm et l'indice de polydispersité de 0,357 ± 0,053. De plus, nous avons mis en place une procédure d'extrusion/lyophilisation afin de stocker les nanoparticules sous forme de poudre. Celle-ci peut être resuspendue en milieu aqueux sans modifications des propriétés colloïdales des nanoparticules ni de leur capacité de transfection.Dans le but d'améliorer la spécificité tissulaire et la biodisponibilité des nanoparticules CADY/siRNA pour une application in vivo, nous avons greffé des motifs de ciblage (YIGSR-S) et de furtivité (PEG) sur la séquence de CADY. L'ajout de ces deux entités, de natures très différentes, ne modifie que faiblement les caractéristiques physico-chimiques (ex. taille moyenne des complexes) et biologiques (transfection cellulaire) des nanoparticules. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de nanoparticules dites de 3ème génération, sur lesquelles on peut greffer plusieurs sortes de molécules d'intérêts (ciblage, polymère, agent de contraste etc.).L'ensemble des résultats obtenus au cours de ma thèse marque un réel progrès dans l'optimisation de la formulation du vecteur CADY, et nous incitent à exploiter davantage son potentiel pour le transfert de siRNA in vivo.

Cell penetrating peptides (CPPs) are short peptides that can enter many cell types and transduce into cells a wide range of molecular therapeutics (nucleic acid, proteins, peptides, small molecules, etc.). Our laboratory has developed the secondary amphipathic peptide CADY able to promote the transport of small interfering RNA (siRNA) independently of all endocytotic pathways. Indeed, siRNA therapeutic interest lies on its ability to inhibit specifically deregulated proteins in the context of pathology. The subject of my thesis focused on the characterization and optimization of CADY/siRNA complexes. During my work, we have been able to show that CADY adopts a helical structure while interacting with the siRNA leading to the formation of nanoparticles. The goal of my study was to optimize CADY sequence and control its formulation to consider the transferring from an in cellulo to an in vivo application of our vectorization system. First, we conducted a structure-activity study with six analogues by mutating CADY on tryptophane residues (PSF1, 2, 3 and PSW) and in the area initializing helical structure (PG9, PG16). A thorough analysis of these analogues has confirmed that the limitation of the amphipathic character and structural polymorphism is directly related to the reduction of internalization efficiency of our CPPs. Among the six analogues, only PG16/siRNA and PG9/siRNA nanoparticles show in cellulo results equal to those obtained with CADY/siRNA. Based on the fact, that CADY is the most suitable vector for the transfection of therapeutic molecules such as siRNA, we have established a standard formulation procedure to obtain reproducible and homogeneous CADY/siRNA complexes with an average size of 106 ± 31 nm and a polydispersity index of 0.357 ± 0.053. In addition, we have implemented an extrusion/lyophilization step to allow nanoparticle storage as powder, which can be re-suspended in an aqueous solution without losing their colloidal and transfection properties.In order to improve tissue specificity and bioavailability of CADY/siRNA nanoparticles for an in vivo application, we have grafted ether a targeting sequence (YIGSR-S) or a stealth motif (PEG) to the CADY sequence. These two entities of very different nature provoke only few changes in the physicochemical (e.g. average size) and biological (cell transfection) characteristics of the nanoparticles formed with a siRNA. These results are very encouraging for the development of the so-called 3rd nanoparticle generation which includes several kinds of molecules (targeting, polymer, contrast agent etc.).These outcomes mark the real progress in CADY formulation optimization, and encourage us to further exploit its potential for the in vivo transfer of siRNA.