Nanoparticules mésoporeuses d'ionosilice et de porphyrine : une plateforme multifonctionnelle pour la théranostique des cancers

Porphyrin-doped Mesoporous Ionosilica Nanoparticles : A Multifunctional Platform for Cancer Theranostics.

• Auteur / Autrice : Braham Mezghrani
• Direction : Peter Hesemann, Jean-Olivier Durand, Nadir Bettache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Peter Behrens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Hesemann, Jean-Olivier Durand, Nadir Bettache, Peter Behrens, Muriel Barberi-Heyob, Nadine Millot, Fabienne Dumoulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Barberi-Heyob, Nadine Millot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Médicaments

Cancer

Petits ARN interférents

Mots clés libres

Ionosilice

SiRNA

Pdt

Pci

Délivrance de médicaments

Cancer

Ionosilica

SiRNA

Pdt

Pci

Drug delivery

Cancer therapy

Résumé

Nous rapportons dans le présent travail l'utilisation de nanoparticules d'ionosilice mésoporeuses (PMINPs) en tant que nano-objets multifonctionnels pour l'imagerie, la thérapie photodynamique (PDT), la délivrance de médicaments ainsi que l'encapsulation et la délivrance efficaces de siRNA dans les cellules de cancer du sein. Les nanoparticules d'ionosilice mésoporeuses sont très appréciées de par leurs nombreux avantages : une surface spécifique élevée et une uniformité à la fois de la taille et de la forme des pores. Afin de conférer à ces nanoparticules des propriétés de PDT et d'internalisation photochimique (PCI) du siRNA, un dérivé de porphyrine a été incorporé dans la matrice ionosilicique. Pour ce faire, nous avons synthétisé les PMINPs via un procédé d'hydrolyse - polycondensation, à partir de précurseurs oligo-silylés d'ammonium et de porphyrine. La formation de ces nano-objets a été attestée par microscopie électronique à transmission. Les nanoparticules formées ont ensuite été soigneusement caractérisées par RMN à l'état solide, sorption d'azote et diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les propriétés spectrales de ces nanoparticules ont également été étudiées par spectroscopie UV-vis et d’émission de fluorescence, attestant de l'incorporation réussie du dérivé de porphyrine.Nos résultats indiquent la formation de nano-bâtonnets hautement poreux. Un effet PDT significatif a été observé pour les PDT monophotonique et biphotonique, en raison d'une importante production de ROS lors de l’irradiation lumineuse des cellules cancéreuses traitées avec les nanoparticules. Les mesures du potentiel zêta des PMINPs ont révélé la présence de charges de surface positives qui ont favorisé l'adsorption des molécules de siRNA et de BODIPY. La complexation du siRNA a ensuite été vérifiée par électrophorèse sur gel d’agarose. De plus, les PMINPs ont formé des complexes stables avec le siRNA (jusqu'à 24 heures) et ont été efficacement internalisés dans les cellules après 4 heures d'incubation, principalement avec un processus d'endocytose énergie-dépendant. L'effet PCI est évident sous irradiation lumineuse et a conduit avec succès à l'inhibition de l’expression du gène de la luciférase dans les cellules cancéreuses exprimant la luciférase, alors qu'aucun effet d'extinction du gène n'a été observé en l'absence de lumière. L’action combinée de l’inhibition de l’expression génique par siRNA et la PDT a également été étudiée et a révélé l'existence d'un effet synergique.Ce travail met en évidence le potentiel des nanoparticules d’ionosilice dopées en porphyrine en tant que nano-vecteurs de médicaments multifonctionnels pour les acides nucléiques, tels que le siRNA, avec une triple capacité à effectuer l'imagerie, la PDT et la PCI.

We report the use of Periodic Mesoporous Ionosilica Nanoparticles (PMINPs) as versatile nano-objects for imaging, photodynamic therapy (PDT), drug delivery and efficient adsorption and delivery of siRNA into breast cancer cells. Mesoporous ionosilica nanoparticles are well known for several advantages: high specific area and uniformity of both size and shape of pores. In order to confer to these nanoparticles PDT and siRNA photochemical internalization (PCI) properties, a porphyrin derivative was integrated into the ionosilica framework.For this purpose, we synthetized PMINPs via hydrolysis - polycondensation procedures, starting from oligosilylated ammonium and porphyrin precursors. The formation of these nano-objects was attested by transmission electron microscopy. The formed nanoparticles were then thoroughly characterized via solid state NMR, nitrogen sorption and dynamic light scattering. The spectral properties of these nanoparticles were also studied using UV-vis and fluorescence spectroscopy, attesting the successful incorporation of the porphyrin derivative.Our results indicate the formation of highly porous nanorods. A significant PDT effect was observed for both one-photon and two-photon excitation PDT, due to an important ROS production upon light irradiation in nanoparticles treated-breast cancer cells. Zeta potential measurements of PMINPs revealed the presence of positive surface charges which promoted the adsorption of siRNA and BODIPY molecules. The electrostatic complexation of siRNA was then verified by electrophoresis gel retardation assay. Furthermore, PMINPs formed stable complexes with siRNA (up to 24 hours) and were efficiently internalized into the cells after 4 hours incubation mostly with energy-dependent endocytosis process. The PCI effect was obvious under light irradiation and successfully led to luciferase gene silencing in luciferase-expressing breast cancer cells, while no gene silencing effect was observed in the absence of light. The dual effect of gene silencing by siRNA and PDT was also studied and revealed the existence of a synergistic effect.This work highlights the potential of porphyrin-doped ionosilica nanoparticles as multifunctional drug nanocarriers for nucleic acids, such as siRNA, with a triple ability to perform imaging, PDT and PCI.