Développement et caractérisation approfondie de nanoparticules en polymères biodégradables pour l'administration de molécules actives

Development and in-depth characterization of biodegradable polymeric nanoparticles as drug delivery systems

• Auteur / Autrice : Merve Seray Ural
• Direction : Ruxandra Gref, Claire Smadja
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• 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-....) - Institut Galien Paris-Saclay (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Hynd Remita
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Niko Hildebrandt, Sergii Rudiuk, Eric Busseron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Niko Hildebrandt, Sergii Rudiuk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse quantitative (chimie)

Nanoparticules

Colloïdes polymères

Encapsulation (chimie)

Mots clés libres

PLGA

PLA

Encapsulation

Libération contrôlée

Analyse individuelle des nanoparticules

Couronne de protéines

PLGA

PLA

Drug loading

Controlled release

Individual nanoparticle analysis

Protein corona

Résumé

Les nanomédicaments présentent de grands avantages pour l'administration ciblée et la libération contrôlée d'agents thérapeutiques. Ainsi, les nanoparticules (NPs) permettent de franchir des barrières biologiques et d’augmenter la biodisponibilité des molécules actives. Les (co)polymères biodégradables poly(acide lactique) (PLA) et poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA), dont la biocompatibilité est bien connue, restent les matériaux les plus utilisés pour préparer des NPs chargées en médicaments. Cependant, certaines limitations affectent le développement clinique de ces NPs : i) les charges en principe actif (DL) sont parfois insuffisantes réduisant l'efficacité thérapeutique des NPs ; ii) le manque de méthodologies pour caractériser les NP individuellement pour un contrôle de qualité accru; iii) des études approfondies des interactions nano-bio. Par conséquent, l'objectif du présent travail de thèse était de préparer une série de NPs de PLA et de PLGA pour obtenir des DL élevés et de les caractériser en profondeur. La vancomycine (VCM) est un antibiotique de dernier recours utilisé pour traiter les infections bactériennes graves. L’encapsulation de la VCM au sein de NPs est une stratégie de choix pour accroitre sa biodisponibilité et pour réduire les doses et effets secondaires. Les NPs-VCM ont été préparées en utilisant une série de (co)polymères PLA et PLGA. Les formulations ont été optimisées pour obtenir des DLs proches de 25 % en poids et une libération sensible au pH. Les interactions médicament-polymère ont été révélées par RMN du solide. Le médicament se situe dans des compartiments internes où il exerce de fortes interactions électrostatiques avec les groupes terminaux des (co)polymères. Un ensemble de microscopies électroniques ont été utilisées pour élucider les structures des NPs. Des compartiments internes ont été trouvés dans les NPs chargées en VCM, mais pas dans celles non chargées. Ces études ouvrent la voie à l'obtention de NP avec une faible libération de VCM dans des conditions physiologiques et une libération déclenchée à un pH acide, qui est parfois associée à des sites d’infection. Les NP individuelles ont été caractérisées dans le but de localiser le médicament (chapitre II) grâce à des techniques de pointe combinant la visualisation des NP individuelles (microscopie à haute résolution) et l'analyse chimique par spectroscopies. Les techniques SEM-EDX, STEM-EDX et AFM-IR ont permis d’identifier et de localiser chaque composant d’une NP. Pour aller plus loin, nous avons établi une méthode de quantification qui permet de mesurer la DL localement sur une seule NP. Pour ce faire, une série de films et de NPs ont été préparés à partir de mélanges de PLA et d'un médicament anticancéreux à base de Re. Ces deux matériaux possèdent des empreintes IR intenses répondant au mieux aux besoins de l'étude. Le chapitre III présente une preuve de concept de quantification réalisée par l'AFM-IR qui offre deux modes d'acquisition : i) cartographie chimique à des absorptions IR sélectionnées et ii) enregistrement d'un spectre IR local avec la résolution de l’AFM (10-15 nm). Tout d'abord, une courbe d'étalonnage a été obtenue par microspectroscopie IR et a servi de base pour la quantification par AFM-IR. Les NPs individuelles présentent des DL disparates, ce qui souligne l'utilité de notre approche. Enfin, une étude complète a été menée pour étudier les interactions nano-bio. Les NPs en PLGA ont été étudiées comparativement avec les nanoMOFs. Ces NPs ont été PEGylées, pour moduler leurs interactions avec une protéine modèle. La méthodologie proposée dans le chapitre IV comprend des études fines de la couronne protéique. En combinant des approches quantitatives et qualitatives, l’étude donne un aperçu des altérations que certaines NPs peuvent induire sur la structure et la stabilité des protéines avec lesquelles elles entrent en contact. Ces interactions pourraient affecter le devenir in vivo des NPs.

Drug delivery systems based on nanoparticles (NPs) are engineered technologies with great advantages of targeted delivery and controlled release of therapeutic agents, overcoming biological barriers and limitations of free therapeutics. Biodegradable poly (lactic acid) (PLA), poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) (co)polymers with well-known biocompatible profile remain the most employed materials to prepare drug nanocarriers. However, some limitations remain affecting mainly their transition into clinics: i) insufficient drug loadings (DLs) lowering the therapeutic efficiency of the NPs ii) lack of methodologies to characterize individual NP for high quality control of the formulations; iii) in depth studies of the nano-bio interactions and in particular of protein fate in contact with the NPs. Therefore, the aim of the current work was to prepare a series of PLA and PLGA NPs to achieve high DLs and to further characterize them deeply. Vancomycin (VCM) is a last resort antibiotic used to treat serious bacterial infections that are resistant to other drugs. VCM loading into NPs is a good strategy to overcome its low bioavailability and to decrease the administered doses and associated side effects. NPs were prepared using a series of PLA and PLGA (co)polymers. Formulations were optimized to achieve drug loadings close to 25 wt% and pH-responsive release. Drug-polymer interactions were revealed by solid state NMR investigations. The drug located in inner compartments where it experienced strong electrostatic interactions with the (co)polymer end groups. Various electron microscopies were employed to unravel the NPs’ structures. Remarkably, the inner compartments were found in VCM-loaded NPs, and not in the unloaded ones. These studies pave the way to achieve stable NPs with low drug release at physiological conditions and triggered release at acidic pH, which sometimes is associated infected sites or intracellular compartments. A systematic study was carried on individual NP characterization with the aim to localize the drug (chapter II). This challenging task was achieved through a range of techniques combining visualization of individual NPs (high resolution microscopy) with simultaneous chemical analysis of the NP (spectroscopic analysis). By using state-of-the-art techniques (SEM-EDX, STEM-EDX and AFM-IR), the NPs components were chemically identified, drug location and homogeneity of the DL into the NPs were successfully investigated. To go a step further, we established a quantification method that enables to measure local DL on a single NP basis. To do so, a series of films and NPs were prepared from mixtures of PLA and a hydrophobic [Re] anticancer drug. These two materials possess intense IR fingerprints meeting the needs of the study at best. Chapter III presents a proof of concept of quantification achieved by AFM-IR that offers two acquisition modes: i) chemical mapping at selected IR absorptions and ii) recording a local IR spectrum with AFM resolution (10-15 nanometers). First, a calibration curve was obtained by IR-microspectroscopy which provided the accurate quantitative information to build the grounds of quantification by AFM-IR. A high discrepancy was obtained in terms of loadings of individual NPs highlighting the usefulness of our approach. Finally, a comprehensive study was carried on to investigate nano-bio interactions. PLGA NPs were studied together with nanoMOFs, possessing different characteristics, and compared with their PEGylated counterparts as PEG has been shown to shield nano-bio interactions, thus increase NPs’ blood circulation time. The methodology proposed in chapter IV includes protein corona investigations. By combining quantitative and qualitative approaches it gives insights on NPs’ in vivo fate as well as the NP induced alterations on protein’s structure and stability that might affect its functionality.