Développement de nouvelles stratégies pour la formulation et la fonctionnalisation de nano-transporteurs lipidiques, destinés à des applications biomédicales

Development of new strategies for formulation and functionalization of lipid nano-carriers for biomedical applications

• Auteur / Autrice : Asad Ur Rehman
• Direction : Thierry F. Vandamme, Nicolas Anton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pharmaceutiques
• Date : Soutenance le 17/10/2019
• 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 : Alexandre Ourjoumtsev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry F. Vandamme, Nicolas Anton, Alexandre Ourjoumtsev, Nadeem Irfan Bukhari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Ourjoumtsev, Nadeem Irfan Bukhari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Vecteurs de médicaments

Médicaments -- Lipophilie

Pharmacocinétique

Médicaments

Mots clés libres

Nano-transporteurs lipidiques

Polymère

Nano-émulsions

Administration ciblée de médicaments

Fonctionnalisation de surface

Imagerie

Sénescence endothéliale

Théranostic

Anticorps

Ligands

Liposomes sensibles au pH

Doxorubicine

Cholestérol

Lipid nano-carriers

Polymer

Nano-emulsions

Targeted drug delivery

Surface functionalization

Imaging

Endothelial senescence

Theranostic

Antibody

Ligands

PH-sensitive liposomes

Doxorubicin

Cholesterol

Résumé

Les nano-transporteurs lipidiques sont considérés comme des systèmes d’administration classiques pour les médicaments lipophiles en raison de leur biocompatibilité, de leur capacité de charge médicamenteuse élevée, de leur bonne biodistribution et de leur profil pharmacocinétique. Les nano-émulsions (NE) constituent des nano-transporteurs (NT) à potentiel élevé pour des centaines d'applications en raison de leur capacité de réservoir, avec les principaux inconvénients étant les limites de leur modification de surface et de leur stabilité. Cette thèse porte sur le développement de stratégies visant à surmonter ces limitations, ainsi que sur les applications des NT lipidiques pour l'imagerie et l'administration ciblée de médicaments. L’étude commence par la synthèse d’un polymère amphiphile spécialement conçu pour présenter une propriété tensioactive accordable importante. Les NE décorés d'azides ont d'abord été développés, traités avec un colorant modèle (JS050) et optimisés pour obtenir un greffage maximal, puis remplacés par un ligand contenant de la biotine. Les NE décorés de ligands ont été traités avec de la streptavidine et analysés pour déterminer la réaction biotine-streptavidine par électrophorèse sur gel. Dans la deuxième stratégie, des NE décorés au maléimide ont été préparés et chargés avec une sonde fluorescente afin de permettre la détection de cellules endothéliales sénescentes (CE) couvrant des sites athéro-sensibles à risque, à des fins de diagnostic et de surveillance, et / ou un agent thérapeutique pour la régénération de la fonction endothéliale protectrice. Les NT décorées avec maléimide ont été traitées avec des anticorps (anti-VCAM1) et le potentiel théranostique de ces NT a été évalué in vitro et ex vivo. Les résultats ont montré que les NT théranostiques ciblent spécifiquement (en moins d'une heure à 4 ° C / 37 ° C) des CE sénescentes cultivées et indigènes et s'accumulent de préférence à des sites bien définis caractérisés par un écoulement perturbé et un faible cisaillement. La nouveauté du projet réside dans le fait que ces NT théranostiques ciblent la sénescence endothéliale à des stades très précoces, réduisant ainsi le risque de développement d'une plaque d'athérosclérose calcifiée avancée ultérieure. En parallèle, des liposomes sensibles au pH encapsulant la doxorubicine (DOX) / colorant ont été développés et étudiés pour déterminer leur sensibilité au pH. Les liposomes obtenus se sont révélés très sensibles au pH et une libération maximale du colorant / médicament a été obtenue à pH 5,5. La charge de DOX dépendait principalement des valeurs du gradient de pH et de la nature des lipides et des stabilisants. De plus, la dégradation des liposomes ainsi que la libération de colorant / médicament à partir des liposomes étaient inversement proportionnelles à la quantité de stabilisant, tandis que l’ajout de cholestérol facilitait la rétention prolongée de DOX dans les liposomes. En conclusion, les stratégies développées surmontent très efficacement les limitations associées à la fonctionnalisation de surface et à la stabilité des nano-transporteurs lipidiques, ce qui en fait le candidat idéal pour l'imagerie biomédicale et les applications ciblées d'administration de médicaments.

The lipid nano-carriers are considered as mainstream delivery systems for lipophilic drugs because of their biocompatibility, high drug loading capacity and good biodistribution and pharmacokinetic profile. Nano-emulsions (NEs) constitute high-potential nano-carriers (NCs) for hundreds of applications owing to their reservoir capability, with main drawbacks being the limitations of their surface modification and stability. This thesis focuses on the development of strategies to overcome these limitations and also on the applications of the lipid NCs for imaging and targeted drug delivery. The study begins with the synthesis of an amphiphilic polymer, specially designed to exhibit an important tunable surface-active property. The azide-decorated NEs were first developed, treated with a model dye (JS050) and optimized to obtain maximum grafting, followed by replacement of the dye by a biotincontaining ligand. Ligand-decorated NEs were treated with streptavidin and investigated for the biotin-streptavidin reaction by gel electrophoresis. In the second strategy, maleimide-decorated NEs were prepared and loaded with a fluorescent probe, to allow detection of senescent endothelial cells (ECs) covering athero-susceptible sites at risk, for diagnosis and monitoring purposes, and/or a therapeutic agent for regeneration of the protective endothelial function. The maleimide decorated NCs were treated with antibodies (anti-VCAM1) and theranostic potential of these NCs was evaluated in vitro and ex vivo. The results have shown that the theranostic NCs specifically target (within 1 hr at 4°C/37°C) cultured and native senescent ECs and accumulate preferentially at well-defined sites characterized by disturbed flow and low shear. The novelty of the project lies in the fact that these theranostic NCs target endothelial senescence at very early stages, therefore reducing the risk of development of a subsequent advanced calcified atherosclerotic plaque. In parallel, pH-sensitive liposomes encapsulating doxorubicin (DOX)/dye, were developed and investigated for their pH-sensitivity. The resulting liposomes were found to be very sensitive to pH and maximum release of the dye/drug was obtained at pH 5.5. The loading of DOX was mainly dependent on the values of the pH gradient and the nature of lipid and stabilizer. Moreover, the breakdown of liposomes as well as release of dye/drug from the liposomes was inversely related to the amount of the stabilizer, while addition of cholesterol helped in the prolonged retention of DOX inside the liposomes. To conclude, the developed strategies overcome, very efficiently, the limitations associated with the surface functionalization and stability of the lipid nanocarriers, making them the ideal candidates for the biomedical imaging and targeted drug delivery applications.