Étude de la toxicité des “carbon dots” et de leur efficacité de délivrance de drogues dans des modèles in vitro et in vivo

Evaluation of the safety and drug delivery efficacy of carbon dots in in vitro and in vivo models

• Auteur / Autrice : Jiahui Fan
• Direction : Luc Lebeau, Françoise Pons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie biologique et thérapeutique
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chémo-biologie synthétique et thérapeutique (Strasbourg ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Joubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Joubert, Hervé Hillaireau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vecteurs de médicaments

Transfection

Toxicologie cellulaire

Carbone

Nanoparticules

Mots clés libres

Carbon dots

Toxicologie

Délivrance de gènes

Carbon dots

Toxicology

Gene delivery

Résumé

Les carbon dots (CDs), dernier membre de la famille des nanoparticules (NPs) carbonées à avoir été découverts, sont des particules hydrophiles quasi-sphériques qui sont généralement présentées comme biocompatibles et seulement faiblement toxiques. Ils sont facilement accessibles par voie de synthèse et peuvent être tout aussi aisément modifiés par modification chimique des groupes fonctionnels présents à leur surface. Leurs propriétés de fluorescence intrinsèques les rendent intéressants pour de nombreuses applications, notamment dans le domaine biomédical où les CDs trouvent des applications en tant que vecteurs de principes actifs, comme d’autres NPs développées dans ce domaine. Les travaux développés au cours de cette thèse visaient premièrement à identifier les propriétés physicochimiques intrinsèques des CDs qui conditionnent leur toxicité. Pour cela, le profil toxicologique d’une large collection de CDs présentant des propriétés de taille, charge et chimie de surface a été établi en utilisant des modèles in vitro et in vivo. Nous avons pu montrer ainsi que, bien que la taille des NPs joue un rôle important dans leur toxicité, elle ne constitue pas à elle seule un facteur prédictif de cette dernière. En effet, la charge et la chimie de surface régissent de façon importante les interactions entre les NPs et l’environnement biologique dans lequel elles sont introduites et, donc, leur toxicité. Le deuxième objectif de cette thèse était d’étudier le potentiel qu’offrent les CDs dans le domaine de la délivrance de gènes. Nous avons pu montrer la supériorité de CDs préparés à partir d’acide citrique et de bPEI600 sur tous les autres CDs cationiques préparés et évalués dans notre étude. Une approche systématique nous a permis d’améliorer, pas à pas, l’efficacité des CDs jusqu’à surpasser celle du bPEI25k, un agent de référence dans le domaine.Dans l’ensemble, nos études ont ouvert de nouvelles perspectives dans le domaine des NPs en apportant des éléments de compréhension des mécanismes de leur toxicité et en identifiant des conditions de production qui permettent d’optimiser leur propriétés en tant qu’agent de transfection.

Carbon dots (CDs) are the latest member of the family of carbon nanoparticles (NPs) to be discovered. They were isolated for the first time in 2004, during electrophoresis purification of carbon nanotubes. In addition to their nanometric size, these objects are almost spherical and hydrophilic, and are generally presented as biocompatible and very weakly toxic NPs. They are fairly easily accessible by synthesis and can be conveniently modified by reaction of the functional groups present on their surface (amines, carboxylic acids, alcohols, etc.). Finally, they exhibit intrinsic fluorescence properties, are relatively resistant to photobleaching, and can be excited by multi-photon irradiation. Thus, like the other members of the family of carbon NPs (graphene, nanodiamonds, fullerenes, nanotubes), CDs have remarkable properties which are the subject of intense research for applications in fields as different as those of electronics, catalysis, energy storage, imaging, and medicine. In the latter area, CDs can find applications as drug delivery systems, like other NPs successfully developed in this field. The work developed during this thesis had two distinct objectives. The first one was to identify the intrinsic physicochemical properties responsible for the toxicity of NPs. For this, the toxicological profile of a large collection of CDs produced in the laboratory and exhibiting various size, charge, and surface chemistry was characterized using in vitro lung models and mice. We found that although the size of the NPs plays an important role it is not, by itself, a predictive element of the toxicity of the NPs. The charge and the surface chemistry largely effect the interactions between the NPs and the biological medium systems and, therefore, their intrinsic toxicity. The second objective of this thesis was to assess the potential of CDs in the field of drug delivery as synthetic gene carriers. We were able to show the superiority of NPs prepared from citric acid and bPEI600 over all other cationic CDs produced in the laboratory. A systematic evaluation has allowed us, step by step, to improve the efficiency of these transfection agents, to exceed that of bPEI25k, a gold standard for in vitro transfection, without significant toxicity. Overall, this work opens up new horizons in NPs research that may provide 1-a better understanding of the toxicological mechanisms of NPs, especially their determinants, and 2-identification of the relationship between the CDs synthesis methods and the efficiency of these NPs as DNA transfection reagents.