Utilisation de nanoparticules pour le développement de nouvelles thérapies antituberculeuses

Application of nanoparticles for the development of new antituberculosis therapies

• Auteur / Autrice : Joana Costa Gouveia
• Direction : Priscille Brodin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 01/12/2017
• Etablissement(s) : Lille 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Center for Infection and Immunity of Lille - Centre d’Infection et d’Immunité de Lille (CIIL) - U1019 - UMR 8204

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de délivrance de médicaments

Tuberculose

Dissertations universitaires

Mycobacterium tuberculosis

Microorganismes pathogènes intracellulaires

Tuberculose

Nanoparticules

Mycobacterium tuberculosis

Mots clés libres

Systèmes de délivrance de médicaments

Tuberculose

Nanoparticules

Intracellular pathogenic bacteria

Nanocarrier system

Antimicrobial drug delivery

Tuberculosis

Résumé

La tuberculose (TB) est un problème de santé mondiale majeur à l’origine de 10.4 millions de nouveaux cas et 1.8 millions de morts en 2015 selon l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS). Cette maladie est causée par la bactérie Mycobacterium tuberculosis (Mtb) qui infecte principalement les poumons et se transmet par l'inhalation d’aérosols contaminés.Le traitement de TB nécessite la prise quotidienne d’antibiotiques pendant 6 mois, dont une mauvaise utilisation peut être à l’origine de l’apparition de souches Mtb multi-résistantes.La nouvelle stratégie de l’OMS, “End TB”, vise à réduire de 90% l’incidence de TB d'ici 2035. Pour y parvenir, il est important de définir de nouvelles approches pour réduire la durée et la toxicité des traitements et améliorer leur efficacité vis-à-vis des bactéries actives et latentes.L’approche abordée lors de ma thèse vise à utiliser des nanoparticules (NP) pour développer de nouvelles thérapies anti-TB. La bibliographie sur le sujet montre que cela pourrait être une stratégie prometteuse. Nous avons par conséquent étudié quatre applications potentielles des NP:1-Vectorisation des médicaments pour les administrer au niveau pulmonaire. L’éthionamide (ETH) est un antibiotique utilisé pour le traitement de TB avec des effets secondaires indésirables. L’ETH est une «pro-drogue» qui nécessite une activation par une monooxygenase bactérienne, dont l’efficacité peut être elle-même augmentée par des molécules chimiques appelées “booster”. Nous avons étudié l’effet de l’ETH et de booster co-encapsulés dans des NP de poly-β-cyclodextrine (pCD) pour le traitement de TB. Nous avons d’abord évalué leur efficacité in vitro sur la croissance extracellulaire et intracellulaire (dans les macrophages) de Mtb grâce à l'utilisation d'un système automatisé de microscopie confocale à haut contenu. Dans les deux essais, nous avons constaté que les médicaments conservaient leur activité après encapsulation et que les NP n'étaient pas cytotoxiques. L’efficacité de ces NP a ensuite été étudiée in vivo chez des souris infectées avec Mtb. La suspension de NP a été délivrée sous forme d’aérosols directement dans les poumons par voie endotrachéale à l’aide d’un Microsprayer Aerosolizer. Une réduction significative de la charge bactérienne dans les poumons de 3 log a été observée après 6 administrations de doses inférieures à celles thérapeutiques.2-Amélioration de la solubilité et biodisponibilité des antibiotiques. La Clofazimine (CLZ) est un antibiotique utilisé dans le traitement de la lèpre et pourrait être, au regard de son efficacité in vitro sur les souches de Mtb multi-résistantes, un candidat potentiel pour celui de TB. La CLZ est extrêmement lipophile, gênant ainsi sa solubilité. Dans notre étude, son encapsulation dans des particules de silice nanoporeuses a stabilisé l'état amorphe de la CLZ et a augmenté radicalement sa solubilité. Après encapsulation ou solubilisation dans le DMSO, la CLZ a d’autre part montré une activité antibactérienne similaire sur Mtb.3-Stabilisation des antibiotiques. La Vancomycine (VAN) est utilisée pour des applications cliniques comme alternative de la pénicilline dans le traitement de Staphylococcus aureus et pourrait être utilisée pour celui de TB. Alors que la VAN présente une faible stabilité dans les milieux biologiques, nous avons montré que l'encapsulation de cet antibiotique à l'intérieur de NP à base de PLGA a amélioré son efficacité tant sur les bactéries Mtb extracellulaires qu’intracellulaires.4-Activité antimycobacterial Intrinsèque de NP. Différentes NP (60 pCD, 1 NanoMOF et 1 NP en argent) ont été évaluées in vitro. Aucune n'a présenté d'activité antituberculeuse intrinsèque prometteuse.En conclusion et au regard des options thérapeutiques limitées pour combattre les souches résistantes et de la rareté de solutions innovantes dans le pipeline de découverte de médicament, ces travaux ont montré que les NP pouvaient constituer une approche anti-TB originale.

Tuberculosis (TB) is a major problem of global health, responsible for 10.4 million new cases and 1.8 million deaths in 2015 according to the World Health Organization (WHO). This disease is caused by inhalation of small aerosol droplets containing Mycobacterium tuberculosis (Mtb), and lungs are usually the major site of infection.TB can usually be treated with a daily six months course of standard, or first-line, anti-TB drugs. If first-line drugs are misused, the onset of multidrug-resistant Mtb can occur.The new WHO global public health strategy “End TB” aims at the reduction of TB incidence 90% by 2035. To reach these ambitious targets, new approaches are urgently needed to get a faster, less harmful and more-efficient treatment for active and latent TB.My thesis focused on the use of nanoparticles (NPs) to develop new anti-TB therapies. Our review of the literature showed that it could be a promising approach. Here, we investigated four potential uses of the NPs.1- Nanocarrier for pulmonary delivery of drugs. Ethionamide (ETH) is a second line antibiotic with high toxicity and several adverse side effects. ETH is a prodrug that requires bioactivation by a bacterial monooxygenase, which can be enhanced by chemical molecules named “boosters”. We investigated the simultaneous delivery of ETH and boosters coencapsulated in biodegradable poly-β-cyclodextrin (pCD) based NPs by the pulmonary route for the treatment of TB. First, we evaluated the in vitro efficacy of the designed formulations on Mtb extracellular growth and intracellular growth inside macrophages using an automated confocal high-content microscopy system. And we found for both assays that the drugs maintained their activity after encapsulation and the pCD were not cytotoxic. Given these promising results, their efficacy was then tested in vivo. The NPs suspension, administered directly into mouse lungs by endotracheal way using a Microsprayer® aerosolizer, was proved to be well-tolerated and led to a 3-log decrease of the pulmonary mycobacterial load after 6 administrations and using lower doses than the therapeutic ones.2- Enhancement of the solubility and the bioavailability of antibiotics. Clofazimine (CLZ) is an antibiotic usually used in a combination therapy for the treatment of leprosy and could be a potential candidate for the treatment of TB because of its in vitro efficacy on resistant Mtb strains. CLZ is extremely lipophilic and has important solubility problem. In our study, its encapsulation in nanoporous silica particles stabilized the amorphous state of CLZ and dramatically increased the drug solubility. On the other hand, CLZ encapsulated in nanoporous silica particles or efficiently dissolved in DMSO showed a similar antibacterial activity on Mtb, validating the assessment of solubility of CLZ by encapsulation.3- Improvement of the antibiotic stabilization. Vancomycin (VAN) is used for clinical applications for nearly 50 years as a penicillin alternative to treat penicillinase-producing strains of Staphylococcus aureus. VAN can be used for TB treatment as a repurpose. While VAN presented low stability in biological media at 37°C, we showed that the encapsulation of this antibiotic inside PLGA-based NPs enhanced its efficacy both on extracellular and intracellular bacteria.4- Intrinsic antimycobacterial activity of NPs. Different NPs (60 pCD, 1 NanoMOF, and 1 silver NP) were tested in vitro but none presented promising intrinsic antitubercular activity. However some pCD were slightly active in vitro on extracellular Mtb but cytotoxic.In conclusion, these works demonstrated that nanoparticles can provide a novel anti-TB approach regarding the limited therapeutic options to fight drug-resistant Mtb and the scarcity of novel antituberculosis drugs in the drug discovery pipeline.