Auto-assemblages à base de polypeptides sensibles au pH en tant que supports de délivrance de médicaments et de gènes

pH-responsive polypeptide-based self-assemblies as drug and gene delivery carriers

• Auteur / Autrice : Esra Aydinlioglu
• Direction : Sébastien Lecommandoux, Olivier Sandre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 27/02/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Ravaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Lecommandoux, Olivier Sandre, Valérie Ravaine, Hermis Iatrou, Koen Raemdonck, Silvie Meeuwissen, C. Remzi Becer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hermis Iatrou, Koen Raemdonck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Copolymérisation radicalaire

Autoassemblage

Peptides amphiphiles

Polymères

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules de polymère

Polypeptides

Auto-Assemblage de copolymère bloc amphiphile

Copolymérisation par ouverture de cycle (coROP

Nanomédecine cancéreuse

Complexation polyionique (PIC)

Polymer nanoparticles

Polypeptides

Amphiphilic block copolymer

Ring opening copolymerizaton (coROP

Anticancer nanomedicine

Polyionic complexation (PIC)

Résumé

Cette thèse, nous avons conçu et synthétisé différents copolymères biocompatibles auto-assemblés par copolymérisation par ouverture de cycle (coROP) de trois différents N-hydroxycarboanhydride (NCA) d’alpha-aminoacides, avec du poly(oxyde d'éthylène) (POE-NH2) comme macro-amorceur, formant un bloc hydrophile. Différents degrés de polymérisation du POE ont été utilisés (DP=17,46,114), et la composition du bloc copolypeptidique amphiphile a été ajustée par coROP de l'acide L-glutamique anionique ou de la L-lysine cationique, qui apportent une charge dépendante du pH, et du comonomère L-phénylalanine dont les unités aromatiques apportent des interactions d'empilement pi-pi et servent de réservoir hydrophobe pour l'encapsulation d’un médicament. Différentes morphologies, micelles en forme de bâtonnet, nano-objets de forme ronde et structures vésiculaires, ont été obtenues via différentes techniques d'auto-assemblage (dissolution directe, nano-précipitation, dialyse directe ou hydratation directe dans l'oligo(éthylène glycol)), puis leurs propriétés physico-chimiques détaillées et leur structure ont été étudiées par un panel de méthodes de caractérisation (diffusion de la lumière, des rayons X ou des neutrons, microscopie atomique ou électronique, dichroïsme circulaire...). Les POE-block-copolypeptides à base de poly(acide L-glutamique-co-L-phénylalanine) permettent l'encapsulation et la libération de la curcumine, qui est un médicament antioxydant, anticancéreux et anti-inflammatoire (pléiotrope) très peu soluble dans l'eau, grâce à des interactions hydrophobes avec le bloc copolypeptidique contenant de la L-phénylalanine. Les nano-objets chargés de curcumine ont été formulés par nano-précipitation ou hydratation directe, et leur efficacité a été évaluée préliminairement in vitro par un test de cytotoxicité (MTT) sur des cellules HeLa natives. L'auto-assemblage de copolymères à bloc POE de poly(L-Lysine-co-L-phénylalanine) portant une charge de surface positive à pH neutre a également été étudié dans de l'eau et des solutions tampons de pH avec des techniques de caractérisation similaires. Dans le cadre d'une autre étude, des vésicules complexes polyioniques, également appelées PICosomes dans la littérature, ont été préparées à partir d'une paire de copolymères à bloc POE de charge opposée obtenus dans les chapitres précédents. Les PICosomes ont été caractérisés par la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la diffusion de la lumière multi-angles (MALS) et également par la microscopie électronique à transmission (TEM). Dans notre étude, des complexes polyioniques avec de petits ARN interférents (siRNA) ont été préparés et leur activité d'inhibition de gène a été étudiée sur des cellules HeLa-Luc par des essais de bioluminescence in vitro (ces cellules exprimant le gène de la luciférase de la luciole). Dans une dernière partie de la thèse, nous avons synthétisé un autre type de copolymères amphiphiles, à savoir les copolymères séquencés POE-b-PTMC (poly(oxyéthylène-b-poly(triméthylènecarbonate)) qui sont semi-cristallins, biodégradables et biocompatibles. Ensuite, des nanoparticules magnétiques de différents diamètres, recouvertes d'un revêtement hydrophobe, ont été chargées dans leurs membranes afin de préparer des polymérosomes entièrement biodégradables, dotés d'une double réponse magnétique et thermosensible, pour des applications d'administration contrôlée de médicaments.

In this thesis, we designed and synthesized different biocompatible self-assembling copolymers by ring opening copolymerizaton (coROP) of three different alpha-aminoacid N-hydroxycarboanhydride (NCA), with poly(ethylene oxide) (PEO-NH2) as macro-initiator, forming hydrophilic block. Different degree of polymerization of PEO were used (DP=17,46,114), and amphiphilic co-polypeptide block was composition was tuned by coROP of either anionic L-glutamic acid or cationic L-lysine, which brings a pH dependent charge, and L-phenylalanine comonomer whose aromatic units bring pi-pi stacking interactions and serve as a hydrophobic reservoir for drug encapsulation. Different morphologies, rod-like micelles, round shape nano-objects and vesicular structures, were obtained via different self-assembly techniques (direct dissolution, nanoprecipitation, direct dialysis or direct hydration in oligo(ethylene glycol)), then their detailed physicochemical properties and structure were investigated by a panel of characterization methods (light, X-ray or neutron scattering, atomic or electron microscopy, circular dichroism…). Poly(L-glutamic acid-co-L-phenylalanine) based PEO-block-copolypeptides enable encapsulation and release of curcumin , which is an antioxidant, anticancer and anti-inflammatory (pleiotropic) drug with very low water solubility, thank to hydrophobic interactions with the L-phenylalanine containing copolypeptide block. Curcumin loaded nanoobjects were formulated by nanoprecipitation or direct hydration, and their preliminary efficacy was evaluated in vitro by cytotoxicity assay (MTT) on HeLa wild type cells. Self-assembly of poly(L-Lysine-co-L-phenylalanine) PEO-block-copolymers bearing positive surface charge at neutral pH was also studied in water and pH-buffer solutions with similar characterization techniques. As a further study, polyionic complex vesicles also called PICsomes in literature were prepared from a pair of oppositely charged PEO-block-copolypeptides obtained in previous chapters. PICsomes were characterized by dynamic light scattering (DLS), multi angle light scattering (MALS) and also by transmission electron microscopy (TEM). In our study, small interfering RNA (siRNA) loaded polyionic complexes were prepared and their gene silencing activity was investigated on HeLa-Luc cells by in vitro bioluminescence assays (these cells bearing the lucirefase firefly gene). In a final part of the thesis, we synthesized another type of amphiphilic copolymer, namely PEO-b-PTMC (polyethylene oxide-b-poly(trimethylenecarbonate)) block copolymers which are semi-crystalline, biodegradable and biocompatible. Then hydrophobically-coated magnetic nanoparticles of different diameters were loaded in their membranes in order to prepare fully biodegradable polymersomes featuring a dual magneto and thermo-responsive membrane, for tunable drug delivery applications.