Immunociblage bioorthogonal de nanoparticules radiosensibilisantes pour une application en radiothérapie externe

Bioorthogonal immunotargeting of radiosensitizing nanoparticles for external radiotherapy

• Auteur / Autrice : Ludivine Taiariol
• Direction : Carole Chaix, Emmanuel Moreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organique, Minérale et Industrielle
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie Moléculaire et Stratégies Théranostiques
• Jury : Président / Présidente : Vincent Gaumet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Degoul
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Roux, Emilie Genin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie bioorthogonale

Théranostique

Radiothérapie

Mots clés libres

Nanoparticule

Silice

Chimie bioorthogonale

Radiothérapie

Radiosensibilisation

Gadolinium

Synthèse supportée

Modification d’anticorps

Immunopréciblage

Nanoparticle

Silica

Bioorthogonal chemistry

Radiotherapy

Radiosensitizing

Gadolinium

Supported synthesis

Antibodies modification

Immunopretargeting

Résumé

Les nanoparticules (NP) ont fait l’objet de nombreuses avancées technologiques dans le domaine de la cancérologie au cours de la dernière décennie. Ces NP organiques ou inorganiques permettent ainsi d’améliorer l’efficacité de certains traitements préexistants à la fois en chirurgie, en chimiothérapie anticancéreuse ou encore l’immunothérapie. Concernant la radiothérapie externe, qui représente l’une des modalités de référence pour traiter le cancer au cours du parcours de soin d’un patient, elle se heurte le plus souvent aux tumeurs dites radio-résistantes du fait de l’administration de doses délivrées souvent trop faibles afin de limiter l’irradiation des tissus sains environnants. L’une des stratégies les plus prometteuses consiste ainsi à utiliser des NP à base d’atomes lourds (comme l’or, le platine, l’hafnium ou le gadolinium) en tant qu’agents radiosensibilisants, qui une fois concentrées au niveau tumoral permettent d’augmenter l’efficacité de la radiothérapie externe. Cette avancée technologique pourrait connaître un essor sans précédent si leur concentration tumorale ne reposait pas simplement sur un ciblage passif via l’effet EPR mais sur l’adressage spécifique de ces NP novatrices principalement au niveau tumoral afin de potentialiser l’effet des rayons ionisants tout en limitant les effets secondaires vis-à-vis des tissus sains et ainsi améliorer l’efficacité thérapeutique.Les travaux présentés dans cette thèse porte ainsi sur l’adressage actif de NP de silice à cœur rhodamine, pouvant chélater plusieurs atomes de gadolinium, selon une approche d’immunopréciblage par chimie bioorthogonale SPAAC (Strain Promoted Alkyne-Azide Cycloaddition). Cette stratégie repose sur un ciblage actif en deux temps: (1) un anticorps modifié par une entité bioorthogonale de type azoture serait tout d’abord administré; (2) puis, des NP fonctionnalisées avecdes entités bioorthogonales complémentaires (azadibenzylcyclooctyne, ADIBO) seraient injectées dans un second temps après clairance de l’anticorps modifié non localisé au niveau tumoral. La liaison covalente spécifique NP/anticorps via la ligation SPAAC (ADIBO/N3) devrait ainsi permettre d’améliorer la concentration tumorale des NPs et ainsi potentialiser leur effet thérapeutique. La fonctionnalisation de surface des NP a été réalisée selon un procédé automatisé de synthèse supportée utilisant une chimie de synthèse dite «aux phosphoramidites». Cette technique a permis d’introduire en surface les entités bioorthogonales ADIBO ainsi que des macrocycles DOTA permettant de chélater les atomes de gadolinium. Le greffage de ces différentes molécules ainsi queleur quantification ont ensuite été confirmés par diverses techniques de caractérisation(fluorescence, absorbance, DLS, ICP-MS). Dans la deuxième partie de ces travaux de recherche, les anticorps ont été efficacement modifiés par les entités bioorthogonales de type azoture, complémentaires des ADIBO selon l’approche SPAAC. Après quantification et validation de leur réactivité par étude MALDI-TOF et fluorescence, le meilleur conjugué monoclonal a été sélectionné pour mener des études in vitro par microscopie confocale. Malgré les différentes études effectuées au cours de ce projet, il n’a pas encore été possible de démontrer la faisabilité du concept de préciblage par chimie bioorthogonale de ces NP multimodales. Toutefois, l’obtention de NP comportant à la fois des entités bioorthogonales et du gadolinium laisse entrevoir des perspectives intéressantes pour une application en tant qu’agents théranostiques.

In the last few years, nanoparticles (NP) have been of growing interest in the field of oncology for enhancing the therapeutic efficacy of cancer treatment modalities. These organic or inorganic NPimprove the effectiveness of some pre-existing treatments as surgery, cancer chemotherapy andimmunotherapy. With regard to radiotherapy, one of the principal means of patient cancertreatment, it has to face the increasing number of tumors described as “radioresistant” due to lowdoses often delivered in order to limit the effect of radiation on healthy tissue. One of the mostpromising strategy relies on high atomic number NP (e.g. gold, platinum, hafnium or gadolinium)used as radiosensitizers for their capacity to enhance radiation damage once in the tumormicroenvironment. This technological advance could getting an unprecedented development if theirtumor concentration was not only based on passive targeting via the EPR effect, but on the tumorspecific targeting for potentiating the effect of ionizing radiations while limiting side effects to healthytissues and thus improving therapeutic efficacy.Thus, the work reported in this thesis concerns the development of silica NP constituted of afluorescent core of rhodamine, chelating several gadolinium atoms and able to specifically targetcancer cells with an immunopretargeting system based on SPAAC («Strain Promoted Alkyne-AzideCycloaddition ») bioorthogonal chemistry. This strategy relies on the two-step active targeting: (1) anantibody modified by an azide bioorthogonal entity would first be administered; (2) then, NPfunctionalized with complementary bioorthogonal entities (azadibenzylcyclooctyne, ADIBO) would beinjected in a second time after clearance of the modified antibody not located at the tumor site. Thespecific covalent binding NP/antibody via the SPAAC ligation (ADIBO/N3) should thus permit toimprove NP tumor concentration and potentiate their therapeutic effect.NP surface functionalization was performed according to an automated supported synthesisusing phosphoramidite chemistry. This technique allowed the surface incorporation of the ADIBObioorthogonal entities and also of the macrocycles DOTA for gadolinium chelation. Grafting of thedifferent chemical functions and molecules and their quantification were conducted by variouscharacterization techniques (fluorescence, absorption, DLS, ICP-MS). In the second part of this work,antibodies were efficiently functionalized by azide bioorthogonal entities, complementary of ADIBOfunctions according to SPAAC ligation. After quantification and validation of their reactivity by MALDI-TOF and fluorescence studies, the best immunoconjugate has been selected to perform in vitrostudies by confocal microscopy. Despite different studies carried out in this project, it has not beenyet possible to demonstrate the feasibility of this approach. Nevertheless, these NP obtained withboth bioorthogonal entities and gadolinium atoms suggests other interesting perspectives for application as theranostics.