Nanoparticules multifonctionnelles excitables par les rayons X pour la thérapie photodynamique

Multifunctional X-ray excitable nanoparticles for photodynamic therapy

• Auteur / Autrice : Rima Chouikrat
• Direction : Céline Frochot, Marc Verelst
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Serge Mordon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Raehm, Régis Vanderesse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Mordon, Gilles Lemercier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photochimiothérapie

Photosensibilisants

Rayons X

Nanoparticules

Mots clés libres

Thérapie photodynamique

Radiothérapie

Nanoparticules

Gd2O2S : Eu3+ (5%)

Rayons X

Photosensibilisateurs

Photodynamic therapy

Radiation therapy

Nanoparticles

Gd2O2S : Eu3+ (5%)

X rays

Photosensitizers

Résumé

La Thérapie Photodynamique ou PDT est une méthode de traitement principalement anti-cancéreux. Elle est basée sur l’activation par la lumière de molécules photosensibles, appelés photosensibilisateurs, non toxiques à l’obscurité. Après excitation lumineuse et en présence d’oxygène, elles génèrent des espèces réactives de l’oxygène dont l’oxygène singulet, qui engendrent des réactions de photo-oxydation entraînant la mort cellulaire. Cette méthode est cliniquement appliquée en France et dans plusieurs pays du monde mais présente toutefois certaines limites comme la faible profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus. Elle ne peut donc s’appliquer qu’aux tumeurs de surface telles que les kératoses actiniques et aux tumeurs de petite taille accessibles à la lumière. Pour traiter les tumeurs profondes par PDT, nous proposons une stratégie innovante basée sur l’utilisation de rayons X, très connus pour leur pouvoir pénétrant. Comme la plupart des photosensibilisateurs ne sont pas radiosensibles, ils ne peuvent être excités directement par les rayons X. Les récentes avancées en nanotechnologie nous ont amené à envisager une stratégie thérapeutique novatrice pouvant combiner les principes de la PDT et la radiothérapie via l’élaboration de scintillateurs nanoparticulaires excitables par rayons X. Le concept consiste à utiliser des nanoparticules contenant dans leur cœur un scintillateur qui, excité par des rayons X, peut émettre des photons, qui, à leur tour, sont réabsorbés par le photosensibilisateur lui-même conjugué à la nanoparticule. C’est dans ce contexte que nous avons développé des nanoparticules Gd2O2S : Eu3+, possédant dans leur cœur du gadolinium (agent permettant le rehaussement positif du signal IRM) dopé avec de l’europium ou du terbium (pour une l’absorption des RX) et conjugués à des photosensibilisateurs (porphyrine, chlorine zinguée et phtalocyanine zinguée). D’autres nanoparticules TbO3, de plus petite taille, possédant dans leur cœur de l’oxyde de terbium, enrobé d’une couche de polysiloxane dans laquelle est incorporée de la porphyrine ont aussi été synthétisées et étudiées. Ces nanoparticules offrent à la fois une possibilité d’effet radiothérapie, d’effet PDT, tout en offrant la possibilité de visualiser les tumeurs par IRM. Nous avons mis au point un protocole de synthèse permettant d’obtenir la porphyrine avec de bons rendements tout en limitant le temps de synthèse et les étapes de purification. Les synthèses et purifications des nanoparticules ont été optimisées. Les caractérisations physico-chimiques et photophysiques des nanoparticules ont été réalisées, en particulier leur capacité à produire de l’oxygène singulet. L’efficacité du transfert d’énergie entre les nanoparticules et les photosensibilisateurs dans le but d’obtenir un effet PDT a été évaluée et des essais préliminaires sous excitation par rayons X ont été entrepris

PDT or photodynamic therapy is a method mainly used against cancer. PDT is based on the activation by light of photosensitive molecules, called photosensitizers, non-toxic in the dark. After excitation by light in the presence of oxygen, the photosensitizers generate reactive oxygen species including singlet oxygen, which lead to photo-oxidation reactions and cell death. This method is clinically applied in France and in several countries of the world but still has some limitations such as the low depth of light penetration in tissues. It therefore can be applied only to surface tumors such as actinic keratoses and small tumors accessible to laser light. To treat deep tumors by PDT, we propose an innovative strategy based on the use of X-rays known for their penetrating power. Since most photosensitizers are not radiosensitive, they cannot be excited by X-rays. Recent advances in nanotechnology have led us to consider a novel therapeutic strategy that can combine both the principles of PDT and radiotherapy through the development of scintillator containing nanoparticles excitable by X-rays. The concept is to use the scintillator included in the nanoparticle’s core which, excited by X-rays, can emit photons, which, in turn, can be re-absorbed by the photosensitizer itself conjugated to the nanoparticles. It is in this context that we developed nanoparticles of Gd2O2S:Eu3+, with in their core gadolinium (which is a MRI positive enhancement agent) doped with europium or terbium (for RX absorption) and coupled with photosensitizers (porphyrin, zinc chlorin and zinc phthalocyanine). We have developed a synthesis protocol for obtaining the porphyrin in good yields while limiting the time of synthesis and purification steps. The syntheses and purifications of nanoparticles were optimized. The physicochemical and photophysical characterization of the nanoparticles were performed, in particular their ability to produce singlet oxygen. Other Tb2O3 nanoparticles of smaller size, coated with a polysiloxane layer coupled to porphyrin have also been synthesized and studied. These nanoparticles offer both an opportunity for radiotherapy effect of PDT effect, while providing the ability to be detected by MRI. The efficiency of energy transfer between the nanoparticles and the photosensitizers in order to obtain a PDT effects was assessed and preliminary tests under X-ray excitation were undertaken