Systèmes organisés à base de molécules hybrides lipide-nucléotides pour la délivrance des acides nucléiques

Organized systems derived from hybrid nucleotide-lipides molecules for nucleic acid delivery

• Auteur / Autrice : Giovanni Tonelli
• Direction : Philippe Barthélémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences, Technologie, Santé. Interface Chimie-Biologie
• Date : Soutenance le 10/12/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Scherman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Barthélémy, Laurence Navailles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudie Bourgaux, Ange Polidori

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanomédecine

Thérapie génique

Acides nucléiques

Mots clés libres

Nucléolipides

Structure supramoléculaire

Autoassemblage

Caractérisation physico-chimie

Acides aminés

Nanomédicine

Nucleolipids

Supramolecular structure

Self-assembly

Physico-chemical characterization

Amino acids

Nanomedicine

Résumé

La thérapie génique est une forme de médecine moléculaire qui a des potentialités majeures dans le traitement d'un grand nombre de maladies héréditaires ou de cancers. Les acides nucléiques doivent pénétrer à l'intérieur des cellules et interagir avec la machinerie génétique présente. Une des plus grandes limitations dans l'application de ce type de traitement est le développement d'un vecteur sûr et efficace pour transporter ces molécules dans les cellules. Les vecteurs sont classifiés traditionnellement en deux grandes catégories : viral et non-viral. Les vecteurs de type viral sont les plus efficaces et utilisés dans la majorité des tests cliniques, cependant ils peuvent provoquer une forte réponse immunitaire et ils ont des coûts importants de production. Les vecteurs de type non viral peuvent être fabriqués facilement en grande quantité, ne sont pas immunogéniques et possèdent l'avantage de pouvoir être modulés en fonction des applications. Les lipides et les polymères cationiques sont les plus étudiés à cause de leurs propriétés de complexation avec les acides nucléiques. Cependant ces complexes chargés positivement peuvent être toxiques à cause de leur interaction non spécifique avec les membranes cellulaires, ce qui limite leur utilisation in vivo. Cela a conduit à la recherche de nouveaux vecteurs, neutres ou anioniques, pour diminuer les problèmes de cytotoxicité. Les nucléolipides (NL) sont des molécules hybrides bioinspirées amphiphiles formées d’une partie hydrophile nucléotidique et d’une partie hydrophobe lipidique. Ces molécules sont donc capables de s'autoassembler et de former des structures supramoléculaires avec des propriétés physico-chimiques principalement liées à la nature chimique de la tête polaire nucléotidique. L'interaction avec des acides nucléiques est alors possible grâce à des interactions de type Watson-Crick, cependant elles ne sont pas suffisamment élevées pour former un complexe stable pour être utilisées dans les conditions biologiques. La synthèse d’une nouvelle famille de molécules hybrides de type amino-nucléo-lipides (ANL) a été développée dans l'objectif d'améliorer les interactions et donc la complexation grâce à la présence d'un acide aminé sur la partie polaire de l’amphiphile. La synthèse chimique des ANLs avec différents acides aminés (glycine, phénylalanine) en position 5' du sucre et différentes lipides (dimiristoyl, dioleoyl) estérifié au phosphate présent en position 3' a été réalisée. Les études physico-chimiques réalisées par diffusion dynamique de la lumière (DLS), cryo-microscopie électronique (cryo-TEM) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ont permis d'étudier la morphologie et l'organisation structurale des objets supramoléculaires formés par ces molécules. Ces études ont en particulier permis de mettre en évidence la relation entre la structure chimique et les propriétés physico-chimiques. Les NLs forment des vésicules unilamellaires et les ANLs, grâce à la présence de l'acide aminé sur la tête polaire, forment des vésicules de type multilamellaire. L'étude des interactions, réalisée par calorimétrie à titration isotherme (ITC), entre les vésicules et un acide nucléique modèle (poly A) montre qu'il existe une interaction entre les deux partenaires, mais que cette interaction n'est pas suffisamment forte pour envisager des applications biologiques. La stratégie d'utiliser un cation divalent, comme le calcium, pour ponter les charges négatives des nucléolipides et les charges négatives des acides nucléiques a été envisagé et les complexes ont été étudiés par SAXS. Enfin, des transitions de morphologies observées en fonction de la concentration ont été étudiées par DLS et cryo-TEM. Ces transitions de morphologies ont pu être corrélées à des effets de force ionique sur les propriétés de la tête polaire.

Gene therapy is a molecular medicine and a very powerful tool for the treatment of several diseases such as inherited disorder and cancer. Nucleic acids must penetrate into cells in order to interact with their genetic material. Currently the main limitation to the application of this treatment towards clinics is the lack of robust, safe and efficient gene delivery vectors. The two major classes of vectors are those based on recombinant viruses and those based on non-viral systems. Viral vectors are the most efficient and used in several clinical trials, however they can elicit a strong immune reaction and they possess high cost of production. Non-viral vectors are less immunogenic and can be easily produced on a large scale. A large variety of both cationic lipids and polymers have been developed due to their ability to interact spontaneously with negatively charged nucleic acids to form complexes. However these positively charged complexes can present some toxicity due their non-specific interaction with cell membranes and seric proteins. This is the main limitation for their clinical use. For this purpose, new vectors, neutral or anionic, have to be developed in order to diminish the cytotoxicity and increase the circulation time. Nucleotide-lipids (NLs) are bio-inspired amphiphilic hybrid molecules composed of a hydrophilic nucleotidic moiety and a hydrophobic lipophilic moiety. These molecules are able to self-assembly to form supramolecular structures which possess particular physico-chemical properties due to the chemistry of their polar head. These molecules can interact with a nucleic acid by Watson-Crick base pair interactions, however they are not sufficiently strong to form a stable complex that can be used for a biological application. A new chemical family of hybrid amphiphile, amino acid-nucleotide-lipids (ANLs), has been developed in order to increase the interactions and the stability of the complex thank to the presence of the amino acid on the polar head. Herein, we have synthesized novel amino acid-nucleotide-lipids, presenting phenylalanine (or glycine) and thymidine residues and saturated (dimiristoyl) or unsaturated (dioleoyl) diacyl glycerol lipid. The morphology and the structural organization of the supramolecular objects formed by these molecules was studied by dynamic light scattering (DLS), cryo-electron microscopy (cryo-TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS). These studies allowed investigating the relation between the chemical structure and the physic-chemical properties. The amino acids, inserted at the 5′ position of the nucleotide-lipids, stabilize multilamellar systems, whereas unilamellar vesicles are formed preferentially in the case of nucleotide-lipids. Both NLs and ANLs exhibit weak interactions with complementary polyA RNA as revealed by isothermal titration calorimetry (ITC) investigations, however they are not sufficiently strong to form a stable complex that can be used for a biological application. The use of multivalent cations, such as Ca2+, which bridge the phosphate groups on the lipid polar heads with those of the backbone of nucleic acids, to form ternary complexes, has been investigated by SAXS. Finally, a structural study, by DLS and cryo-TEM of NLs aggregates in aqueous solutions as a function of ionic strength and surfactant concentration, has been conducted in order to investigate the different morphologies of the systems.