Ingénierie de la surface de nanoparticules poreuses chargées en molécules actives

Porous drug-loaded nanoparticles with engineered coatings

• Auteur / Autrice : Jingwen Qiu
• Direction : Ruxandra Gref
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 07/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Laure Catala
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Six, Patrick Saulnier, Giorgia Urbinati, Estelle Marion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Six, Patrick Saulnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synthèse (chimie)

Polymères

Nanoparticules

Anticancéreux

Principes actifs (pharmacologie)

Vecteurs de médicaments

Mots clés libres

Vecteur de médicament

Principe actif anticancéreux

Nanoparticules cœur-Couronne

Synthèse de polymère/oligomère

“stealth” drug carrier

Anticancer

Core-Shell nanoparticles

Polymer/oligomer synthesis

Résumé

L'utilisation de nanomatériaux hybrides organiques-inorganiques (nanoMOFs) pour le diagnostic et le traitement de maladies graves, telles que le cancer et les infections, suscite un intérêt croissant. Cependant, immédiatement après leur administration, les nanoMOFs interagissent fortement avec leur environnement physiologique, notamment avec les protéines plasmatiques. Par conséquent, ils sont rapidement éliminés de la circulation sanguine et ne peuvent atteindre leurs cibles. Cette élimination prématurée limite considérablement l'utilisation des nanoMOFs en pratique clinique. Pour relever les défis liés à la séquestration des nanoMOFs par le système immunitaire, nous avons développé deux stratégies pour recouvrir les nanoMOFs de revêtements "furtifs". Pour ce faire, des chaînes de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été greffées de manière covalente à des polymères qui ont été adsorbés sur les nanoMOFs. Par rapport aux nanoparticules denses non-poreuses, la modification de surface des nanoMOFs poreux est beaucoup plus difficile. En effet, il a été révélé que les chaînes de PEG peuvent pénétrer dans les pores, chassant le médicament encapsulé. Par conséquent, dans cette étude, nous avons développé différentes stratégies pour modifier la surface des particules de nanoMOFs avec des revêtements multifonctionnels sans perturber leur capacité d’encapsulation de médicaments. La première stratégie a consisté à synthétiser des copolymères de type « peigne » constitués de dextran (DEX), de PEG et d'alendronate (ALN). Le DEX agit comme une macromolécule volumineuse empêchant les chaînes de PEG de pénétrer à l'intérieur des nanoMOFs, tandis que les fragments d'ALN sont des groupes complexant le fer pour ancrer fermement les revêtements aux nanoMOFs. Les copolymères DEX-ALN-PEG ont été obtenus par chimie click. Ils ont été spontanément adsorbés sur les nanoMOFs par incubation dans l'eau. Comme alternative, d’autres matériaux de recouvrement cette fois biodégradables ont été obtenus en réticulant la γ-cyclodextrine (CD) greffée au PEG avec de l'acide citrique, qui peut également se coordonner efficacement avec les sites de fer disponibles de la surface des nanoMOFs. En outre, les cavités CD offrent des avantages supplémentaires tels que l'incorporation de médicaments à l'intérieur de la couronne. Les copolymères pourraient également être fonctionnalisés avec des fluorophores tels que les cyanines-5, permettant ainsi de comprendre le mécanisme d'enrobage. La doxorubicine (DOX) a été incorporée avec succès dans les nanoMOFs, atteignant des charges allant jusqu'à 64.3±2.3 wt%. D'après les études de résonance magnétique nucléaire à l'état solide (ssNMR), la DOX se trouvait à la fois dans les cœurs et dans les coquilles. Fait remarquable, la DOX incorporée n'a pas été libérée à un pH physiologique de 7,4, alors qu'elle l'a été immédiatement dans un milieu mimant le lysosome artificiel (ALF). Les études par microscopie confocale ont confirmé ces résultats : lorsque les nanoMOFs ont été mis en contact avec des cellules cancéreuses (lignée cellulaire Hela), la DOX n'a pas été libérée dans le milieu extracellulaire, mais uniquement à l'intérieur des cellules. Il est intéressant de noter que les nanoMOFs pénètrent à l'intérieur des cellules avec leur revêtement, puis se dégradent dans le milieu intracellulaire, libérant à la fois leur revêtement et la substance active, ce qui a permis d'éradiquer les cellules cancéreuses. Cette étude ouvre la voie à l'ingénierie de surface de particules hautement poreuses pour des applications biomédicales.

The use of nanoscale metal organic frameworks (nanoMOFs) in diagnosis and treatment of severe diseases such as cancer and infections is of increasing interest. Nonetheless, immediately after their administration, nanoMOFs strongly interact with their physiological environment, including plasma proteins and cells. As a result, they are rapidly cleared from the blood circulation and cannot reach their targets. This premature elimination significantly limits the nanoMOF use in clinical practice. To address the challenges related to the nanoMOF sequestration by the immune system, we developed two strategies to cover the nanoMOFs with “stealth” coatings. To do so, poly(ethylene glycol) (PEG) chains were covalently grafted to polymers which were adsorbed onto the nanoMOFs. Compared to dense non porous nanoparticles, the surface modification of porous nanoMOFs is much more challenging. Indeed, it was disclosed that PEG chains can penetrate into the pores, displacing the loaded drug. Therefore, in this study, we developed different strategies to modify the surface of nanoMOF particles with multi-functional coatings without disturbing their drug loading capacity.The first strategy was to synthesize comb-like co-polymers made of of dextran (DEX), PEG and alendronate (ALN). DEX acts as bulky macromolecule preventing the PEG chains to penetrate inside the nanoMOFs, whereas ALN moieties are the iron complexing groups to firmly anchor the coatings to the nanoMOFs. The DEX-ALN-PEG copolymers were obtained by click chemistry. They were spontaneously coated onto the nanoMOFs by incubation in water. The resulting stable shells successfully decreased the nanoMOFs’ uptake by macrophages in vitro.In an alternative approach, biodegradable PEG-based coatings were engineered by cross-linking PEG-grafted γ-cyclodextrin (CD) with citric acid, which could also efficiently coordinate with nanoMOF surface iron sites. In addition, the CD cavities offer additional benefits such as drug incorporation inside the shell. The copolymers could be functionalized also with fluorophores such as Cyanines-5, allowing deciphering the coating mechanism. Doxorubicin (DOX) was successfully incorporated into the core-shell nanoMOFs reaching loadings up to 64.3±2.3 wt%. According to solid state nuclear magnetic resonance (ssNMR) investigations, DOX located both in the cores and in the shells.Remarkably, the incorporated DOX didn’t release out at physiological pH 7.4, whereas it released out immediately in artificial lysosome fluid (ALF). Confocal microscopy investigations were in good agreement with these findings: when nanoMOFs were put in contact with cancer cells (Hela cell line), DOX was not released in the extracellular medium, but only inside the cells. Noteworthy, the engineered nanoMOFs penetrate inside the cells together with their coatings, and then degrade intracellularly, releasing both their coatings and the active dug cargo, which in turn eradicated the cancer cells. This study pave the way towards engineered the surface of highly porous particles for biomedical applications.