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Nanoparticules d'organosilice mésoporeuse pour la thérapie photodynamique à deux-photons et la délivrance d'antibiotique

par Nicolas Bondon

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Clarence Charnay et de Olivier Mongin.

Thèses en préparation à l'Université de Montpellier (2022-….) , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de D1 - Chimie et Matériaux Moléculaires (equipe de recherche) .


  • Résumé

    Parmi les différents types de nanomatériaux développés à ce jour, les nanoparticules à base d'organosilice mésoporeuse périodique (PMO NPs) sont très prometteuses pour la nanomédecine en raison de leur biocompatibilité et de leur synthèse très polyvalente, permettant l'intégration d'une grande diversité de composés bioactifs. Combinée avec les traitements actuels ou en tant que stratégie unique, la thérapie photodynamique par excitation à deux photons (TPE-PDT) améliore la balance bénéfice/risque pour le patient du fait de son caractère non-invasif et de sa résolution tridimensionnelle. Pour éradiquer efficacement les cellules malades sous irradiation laser, il est nécessaire d'utiliser des systèmes innovants à base de photosensibilisateurs (PSs) à deux photons ayant une grande capacité à générer des espèces réactives de l'oxygène (ROS). Au cours de ce projet, différents composés photosensibles ont été intégrés dans des PMO NPs multifonctionnelles synthétisées par différentes voies sol-gel en milieu basique. Dans un premier temps, des NPs coeur-coquille de nanodiamant-PMO ont été préparées pour la TPE-PDT anticancéreuse in vitro. Après encapsulation, ces systèmes constitués de nanodiamants ont démontré une forte capacité d'internalisation cellulaire et une toxicité importante sous irradiation à deux-photons. Une seconde approche basée sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence a été envisagée pour augmenter la génération de ROS. Ce mécanisme photophysique se produit à partir d'un donneur d'énergie possédant une capacité d'absorption élevée à destination d'un accepteur d'énergie, à savoir le PS. Dans ce but, un fluorophore octupolaire nouvellement synthétisé a été intégré dans la matrice tridimensionnelle de PMO NPs, conjointement avec une porphyrine connue comme PS à deux-photons. La caractérisation photophysique des matériaux et les études TPE-PDT ont démontré une excellente capacité à éradiquer des populations de cellules cancéreuses et de bactéries pathogènes, confirmant ainsi la conversion énergétique optimale entre les deux chromophores. De plus, les NPs chargées en vancomycine - un antibiotique utilisé à grande échelle - ont démontré une libération contrôlée du médicament en milieu bactérien avec un potentiel pour la thérapie combinée à explorer. Ainsi, ces nouvelles formulations qui ont été capables de réaliser de l'imagerie biologique, de la TPE-PDT et de l'administration d'antibiotique, présentent de multiples avantages dans le domaine de la théranostique pour combattre efficacement le cancer et les infections dans des applications futures.

  • Titre traduit

    Mesoporous organosilica nanoparticles for two-photon excited photodynamic therapy and antibiotic delivery


  • Résumé

    Among the different existing nanomaterials, periodic mesoporous organosilica-based nanoparticles (PMO NPs) hold great promises for nanomedicine due to their biocompatibility and their versatile synthesis, providing the integration of a large variety of bioactive compounds. In combination with current treatments or as an individual strategy, two-photon excitation photodynamic therapy (TPE-PDT) offers a better benefit-risk ratio for the patient thanks to its non-invasive nature and its three-dimensional resolution. Upon laser irradiation, two-photon photosensitizer (PS)-based systems with a high capacity to generate reactive oxygen species (ROS) are required to efficiently eradicate diseased cells. During this project, various photosensitive moieties were integrated into multifunctional PMO NPs prepared in basic media. As a first strategy, nanodiamond-PMO core-shell NPs have been employed in in vitro anticancer TPE-PDT. After encapsulation, these materials containing nanodiamonds showed significant cell uptake and phototoxicity. A second approach consisted in enhancing the ROS generation by fluorescence resonance energy transfer mechanism from an energy donor possessing high absorption capacity to an energy acceptor, namely, the PS. For this purpose, a newly-synthesized octupolar fluorophore have been integrated in the three-dimensional framework of PMO NPs, conjointly with a two-photon porphyrin PS. Photophysical characterization of the materials and TPE-PDT studies showed excellent eradication of either cancer cells and pathogenic bacteria, thus confirming the satisfying energy conversion between the two moieties. Moreover, antibiotic-loaded NPs showed a controlled release of the drug in a bacterial environment with potential for combination therapy. These active nanoplatforms may have multiple benefits for anticancer and antibacterial therapy, leading to novel formulations that have been capable of performing imaging, TPE-PDT and antibiotic delivery.