Particules de type “cage” pour des applications biomédicales

"Cage" Nano and Micro-particles for Biomedical Applications

• Auteur / Autrice : Xue Li
• Direction : Ruxandra Gref
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Laure Catala
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ruxandra Gref, Laure Catala, Frédéric Chaubet, Laurence Motte, Peter York, Frédéric Laurent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Chaubet, Laurence Motte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodégradation

Particules (matière)

Encapsulation (chimie)

Nanoparticules

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

Particule "cage"

MOF

Dégradation

Médicament

Antibiotique

Metal-Organic frameworks

Degradation

Drug carrier

Antibiotic

Résumé

Les systèmes à délivrance de médicaments sont des technologies conçues pour administrer des molécules actives de façon optimisée afin d’améliorer leurs effets thérapeutiques tout en minimisant les effets secondaires. En effet, ces systèmes permettent une libération au niveau d’une cible thérapeutique. Les particules de type «cage» ont récemment attiré une attention particulière en raison de leur capacité accrue à (co)incorporer et à protéger des molécules actives vis-à-vis de dégradations in vivo. Les cyclodextrines (CDs) sont des exemples type de molécules "cage", possédant une cavité hydrophobe et une surface extérieure hydrophile. Nous avons élaboré tout d’abord des assemblages supramoléculaires à base de CDs d'environ 100 nm par une méthode douce consistant à mélanger deux solutions aqueuses de polymères neutres : 1) polymère de β-CD et 2) dextrane greffé avec la benzophénone, molécule invitée formant des complexes d’inclusion avec les CDs. La procédure de préparation « verte» en une seule étape rend la formulation attractive, malgré sa relativement faible capacité d’encapsulation (5%pds). Afin d'améliorer cete charge, nous avons élaboré des particules hybrides organiques-inorganiques (MOFs) à base de CDs. Avantageusement, les CD-MOF comportent non seulement des cavités de CD, mais aussi de larges pores engendrés lors l’auto-assemblage de CDs. Le lansoprazole a été incorporé avec succès (23%pds) dans les CD-MOFs et nous avons montré que chaque CDs était capable d’accueillir une molécule de principe actif. Cependant, l’inconvénient majeur des CD-MOFs est leur faible stabilité en milieu aqueux, limitant leur domaine d’application. Une modification de surface est apparue donc nécessaire pour améliorer leur stabilité. Notre stratégie a été d’incorporer les CD-MOFs dans des matrices d'acide polyacrylique (PAA). Des microsphères composites d’environ 650 nm ont été élaborées avec succès et ont permis une bonne stabilité et une libération prolongée sur plus de 48 h. Avantageusement, ces particules composites n’étaient pas toxiques in vitro même à des concentrations élevées. Ainsi, nous nous sommes orientés vers l’étude comparative de MOFs plus stables dans l’eau, à base de trimesate de fer. Les MIL-100 (Fe) (Material of Institute Lavoisier) figurent parmi les premiers MOF étudiés en tant que nanomédicaments (nanoMOFs). Ces particules, parfaitement stables dans l'eau, se dégradent dans des milieux contenant des phosphates en perdant rapidement leur caractère cristallin et leurs ligands constitutifs. De façon étonnante, nous avons constaté que malgré leur dégradation, ces MOFs conservent leur taille intacte. Une analyse approfondie basée sur la microscopie de Raman a permis d’obtenir des informations pertinentes sur la morphologie et la composition chimique de particules individuelles. Ainsi, il a été montré qu’un front d'érosion délimitait nettement un cœur intact et une coquillé inorganique érodée. Cependant, ni l’encapsulation ni la modification de surface des MOFs n’altérait leur intégrité. Enfin, nous avons étudié la co-encapsulation de deux molécules actives utilisées en combinaison (amoxicilline et clavulanate de potassium) dans les nanoMOFs stables à base de MIL-100 (Fe). Les antibiotiques ont été incorporées par imprégnation et chaque molécule s’est localisée préférentiellement dans un compartiment (large ou petite cage) corroborant parfaitement les simulations par modélisation moléculaire. De plus, il a été découvert, de manière surprenante, qu’un grand nombre de nanoMOFs se localisait au voisinage des bactéries (S.aureus) dans des cellules infectées. En se dégradant dans ces cellules, les nanoMOFs contenant les antibiotiques ont réduit de manière importante la charge bactérienne intracellulaire. Ces études révèlent le potentiel des particules de type «cage» pour une incorporation efficace de molécules actives et leur libération contrôlée et ouvrent de nombreuses possibilités d’application.

Drug delivery systems are engineered technologies to administer pharmaceutical ingredients to improve their therapeutic effects, aiming at minimizing their side effects by means of targeted delivery and/or controlled release. “Cage” particles recently drew special attention since they could act as “drug containers” which potentially load large amount of drugs, improve their stability and offer the possibilities to co-encapsulate synergetic drugs. Cyclodextrins (CDs) are typical “cage” molecules with a hydrophobic cavity and a hydrophilic outer surface. Taking advantage of the host-guest interactions between β-CD and benzophenone (Bz), CD based nanoparticles (CD-NPs) were the first formulation investigated. CD-NPs of around 100 nm were instantaneously produced by mixing two aqueous solutions of neutral polymers: 1) poly-CD containing β-CDs, and 2) Bz grafted Dex (Dex-Bz). The “green” and facile preparation procedure makes it attractive formulation, whereas its limitation lies on the low drug payloads (~ 5 wt%). In order to improve the drug loading capacity of CDs, porous CD based metal organic frameworks (CD-MOFs) were synthesized, which contain not only CD cavities, but also large pores built up by CDs self-assembly. Lansoprazole (LPZ) was incorporated in CD-MOF microcrystals (~ 6 µm) reaching payloads as high as 23.2 ± 2.1% (wt). Remarkably, each CD cavity was able to host a drug molecule, offering new opportunities for the use of CD-MOFs for drug delivery purposes. However, these particles disassembled in aqueous media, which limits their application for oral and intravenous administration. Surface modification is therefore necessary to improve their stability in water. The drug loaded CD-MOF nanocrystals (~ 650 nm) were successfully embedded in polyacrylic acid (PAA) polymer matrices. The composite microspheres exhibited spherical shapes and sustained drug release over a prolonged period of time (over 48 h). Drug loaded MOF/PAA composite microspheres were not toxic in vitro (cell viability ~ 90%) even at very high concentrations up to 17.5 mg/mL. MOF/PAA composite microspheres constitute an efficient and pharmaceutically acceptable MOF-based carrier for sustained drug release. However, the process of surface modification was complicated and lead to larger particles and reduced drug payloads. Water-stable MOFs are a novel type of hybrid particles, showing a high potential as drug carriers. Iron trimesate MOFs, namely, MIL-100 (Fe) (MIL stands for Material of Institute Lavoisier) was among the first nano-scaled MOFs used for drug delivery. These particles were stable in water but degraded in phosphate buffer saline (PBS) losing their crystallinity and constitutive trimesate linkers. However, it was discovered that they kept their morphology intact. A thorough analysis based on Raman microscopy was carried on to gain insights on both the morphology and chemical composition of individual particles. It was evidenced the formation of a sharp erosion front during particle degradation. Noteworthy, the MOFs did not degrade during drug loading nor surface modification. Co-encapsulation of two synergic antibiotics (amoxicillin and potassium clavulanate) in MIL-100 (Fe) nanoMOFs was achieved following a “green” procedure by soaking nanoMOFs in aqueous solutions of both drugs. Molecular modelling showed that each drug preferentially located in a separate nanoMOF compartment. Surprisingly, nanoMOFs were prone to co-localize with bacteria once internalized in infected macrophages. NanoMOFs acted synergistically with the entrapped drugs to kill intracellular S. aureus, in vitro. These results pave the way towards the design of engineered nanocarriers in which each component synergistically plays a role in fighting the disease. These studies unravel the potential of “cage” particles for efficient drug entrapment and controlled release and open numerous possibilities for applications.