Etude de la délivrance d’antigènes dans les voies aériennes en utilisant des nanoparticules de maltodextrine lipidées

Study of the airway antigen delivery using lipidated maltodextrin nanopoarticles

• Auteur / Autrice : François Fasquelle
• Direction : Didier Betbeder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie, Physiopathologie et Biologie systémique médicale
• Date : Soutenance le 21/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institute for Translational Research in Inflammation - U 1286
• Jury : Président / Présidente : Patrick Midoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Betbeder, Patrick Midoux, Hervé Hillaireau, Chantal Pichon, Philippe Loiseau, Laurent Dubuquoy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Hillaireau, Chantal Pichon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement médicamenteux adjuvant

Vaccination

Muqueuse

Nanoparticules

Traitement adjuvant

Mucus

Vaccins

Muqueuses

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticule

Muqueuses

Vaccin

Mucus

Adjuvants

Mucosa

Vaccine

Nanoparticles

Mucus

Adjuvants

Résumé

L’administration de vaccins par voie muqueuse (orale et nasale) est une alternative efficace aux injections classiques. En effet, au-delà d’une plus grande compliance pour les patients et les soignants, ces voies ont l’avantage de déclencher une immunité dite muqueuse, grâce à la présence d’un système immunitaire propre (aussi appelé MALT pour Mucosal Associated Lymphoid Tissue). Ce MALT est situé à la surface des épithélia de revêtement. Il est différencié en îlots distinguables, les Follicular Associated Epithelium (FAE), et est constitué de cellules épithéliales spécialisées dans la surveillance et le prélèvement de pathogènes, les cellules M. Celles-ci surplombent une zone riche en cellules présentatrices d’antigènes (CPA) et lymphocytes, les Interfollicular Regions (IFR). Ainsi lors d’une infection, les cellules M sont capables de prélever et transloquer des fragments antigéniques vers les CPA, qui initieront la réponse immunitaire auprès des lymphocytes. Cette réponse se traduira par une immunité humorale et cellulaire au niveau de l’épithélium infecté, au niveau des muqueuses plus distantes, mais aussi au niveau systémique. Comme la majorité des infections se produisent au niveau des muqueuses, cette stratégie d’immunisation est de plus en plus étudiée.Si les antigènes sous-unitaires sont moins toxiques que les vaccins vivants, ils sont aussi moins immunogènes, et leur administration nécessite la présence d’un adjuvant pour stimuler efficacement les CPA et initier une réponse immunitaire forte. Or, par la voie des muqueuses, les molécules immunomostimulantes classiquement utilisées pour les voies injectables (par exemple les toxines bactériennes, le LPS ou encore certaines émulsions) sont souvent reportées comme étant toxiques. L’utilisation de systèmes de délivrance pour vectoriser les antigènes jusque dans les CPA semble donc être une alternative séduisante.On distingue deux types de vecteurs d’antigènes : les particules immunomodulatrices, et les systèmes de délivrance purs. Les premiers délivrent les antigènes dans les CPA, et en parallèle, stimulent fortement les voies pro-inflammatoires, pour orienter la balance immunitaire Th1/Th2. Parmi ces vecteurs, les plus utilisés en tests cliniques sont les virus-like particles (VLP), les émulsions à base de saponines (ISCOMs) ou les liposomes contenant des éléments bactériens (MPL, CpG…). En revanche, leur utilisation par voie muqueuse, et notamment nasale, est confrontée aux mêmes risques de toxicité que les adjuvants classiques. Les systèmes de délivrance purs, quant à eux, n’améliorent l’immunogénicité des antigènes qu’en les délivrant dans les cellules, mimant ainsi une infection naturelle. Et bien qu’ils soient mieux tolérés par les muqueuses, leur efficacité doit s’orienter vers une pénétration du mucus, ainsi qu’une association, protection et délivrance des antigènes dans les CPA bien plus performantes.Durant cette thèse, nous avons ainsi étudié les mécanismes permettant à des nanoparticules (NPs) de maltodextrine cationiques et lipidées (NPL) de délivrer des antigènes par voie nasale.Nous avons tout d’abord évalué la capacité des NPL à franchir le mucus des voies respiratoires, en comparaison avec des nanoparticules mucopénétrantes (des PLGA recouvertes de PEG, ou PLGA-PEG) et des nanoparticules mucoadhérentes (des PLGA recouvertes de chitosan, ou PLGA-CS). En mesurant le déplacement des différentes NPs dans du mucus respiratoire reconstitué, nous avons observé que, grâce à la présence du coeur de phospholipides anioniques, la NPL était capable de se déplacer dans le mucus, contrairement aux PLGA-CS qui restaient immobiles [...]

The mucosal routes of immunization present several advantages compared to classical injection routes. Indeed, besides a better compliance towards patients, these routes possess their own immune system, also known as the Mucosal Associated Lymphoid Tissue (MALT), able to trigger a local mucosal response after immunization. This tissue is mainly located in the nasal and intestinal mucosa, where it is spread in small extents called Follicular Associated Epithelium (FAE). On their apical surface, the FAE contain specialized epithelial microfold cells (or M cells), whose role is to survey potential infections by sampling pathogenic fragments, and which overlay a lymphocyte and antigen presenting cells (APC) zone. Then, when an infection occurs, M cells sample and translocate antigenic fragments to CPA, which could therefore trigger lymphocyte maturation and the initiation of the subsequent immune response. This activation will lead to both humoral and cellular immunity in the infected epithelium and could also spread to distant mucosa. As many pathogens infect the body through mucosa, this way of immunization is often considered.Adjuvants are frequently added to subunit vaccines to enhance their immunogenicity toward APC. Indeed, despite their lower toxicity, they are also less immunogenic than live-attenuated vaccines. However, the administration of classical adjuvanting molecules, such as toxins or immunostimulating emulsions, via mucosal routes, has often led to serious adverse effects. Therefore, the alternative use of delivery systems to deliver antigen in APC after mucosal administration is more and more studied.Antigen delivery systems include immunomodulating particles, and inert delivery systems. The first ones can enhance the mucosal antigen bioavailability by vectorizing antigens to APC, and at the same time trigger intracellular pro-inflammatory pathways, to drive the Th1/Th2 immune balance. Among them, virus-like particles (VLP), saponin-based emulsions (ISCOMs) or MPL-containing liposomes are the most represented in clinical trials. However, their mucosal administration can lead to the same adverse effects than classical immunostimulating molecules. In parallel, true delivery systems can enhance the antigens immunogenicity by increasing their intracellular delivery, thus mimicking a natural infection. They are therefore far less toxic for the mucosa than immunomodulating particles but need to be more efficient in the mucus penetration, in the antigen association and in the APC intracellular delivery.During this thesis, we deciphered the mechanisms allowing cationic and lipidated maltodextrine nanoparticles (NPL) to deliver antigens after nasal administration.We first evaluated the ability of NPL to cross the airway mucus barrier, compared to mucopenetrant particles (PEG-coated PLGA or PLGA-PEG) and mucoadherent particles (chitosan-coated PLGA or PLGA-CS), by measuring their displacement in reconstituted mucus. We observed that in presence of the phospholipid core, the NPL were able to move in the mucus, while PLGA-CS NPs remained stuck in the gel. Moreover, we observed that the NPL uptake and the protein delivery in airway epithelial cells were not impaired by the presence of mucins, contrary to PLGA-CS that were hindered by the mucins, and to PLGA-PEG which were not taken up by the cells, due to their neutral surface charge. We finally demonstrated that the NPL mucopenetration was allowed thanks to steric and repulsive electrostatic forces between the anionic phospholipid core and the mucins.In parallel, we studied the mechanisms allowing the NPL to enhance the immunogenicity of subunit antigens after nasal administration, with a highlight on the importance of the NP’s density [...]