Chimie de l'effet radiosensibilisant des nanoparticules d'or

Chemistry of gold nanoparticles radiosensitizing effect

• Auteur / Autrice : Viacheslav Shcherbakov
• Direction : Mehran Mostafavi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Testard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucie Sancey, Tomer Zidki, Marie Davídková
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucie Sancey, Tomer Zidki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse

Radicaux (chimie)

Nanoparticules d'or

Radiosensibilisants

Mots clés libres

Radiosensibilisation

Nanoparticules d'or

Radical

Catalyse

Radiosensitization

Gold nanoparticles

Radical

Catalysis

Résumé

Les nanoparticules d'or (AuNPs) constituent une classe prometteuse de radiosensibilisateurs, des agents qui augmentent l'efficacité de la radiothérapie. En 2004, il a été démontré que les AuNPs accélèrent la réduction de la taille des tumeurs chez les souris après un traitement par radiation. L'utilisation de l'or a été motivée par l'effet dit d'augmentation de la dose. L'or ayant un numéro atomique élevé (Z=79), il absorbe plus d'énergie dans la gamme des keV que l'eau ou les tissus mous, ce qui augmente l'ionisation globale du volume irradié en raison de l'émission d'électrons secondaires et de photons. Plus tard, des expériences in vivo et in vitro ont montré que l'effet d'augmentation de la dose ne pouvait pas expliquer la radiosensibilisation observée. Aujourd'hui, le mécanisme proposé pour la radiosensibilisation induite par les nanoparticules comprend différents effets physiques, chimiques et biologiques. Cependant, il n'y a pas de consensus sur le mécanisme exact. Les effets chimiques sont généralement associés à une formation accrue d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), telles que les radicaux hydroxyles (•OH), les radicaux superoxydes (O₂•⁻)et le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂), en présence de nanoparticules. La principale méthode de détection des ROS dans les études biologiques est l'utilisation de colorants fluorescents. Elle est basée sur l'oxydation d'une molécule non fluorescente en une molécule fluorescente lors de la réaction avec les ROS, en supposant que l'augmentation de l'intensité de la fluorescence est proportionnelle à l'augmentation de la concentration des ROS. Cependant, le processus d'oxydation d'un colorant est un processus à plusieurs étapes qui comprend la formation d'une variété de produits (pas seulement le produit fluorescent). Les AuNPs possèdent une activité catalytique, qui peut modifier les voies de réaction. Dans le présent travail, nous avons examiné l'idée d'une production accrue de ROS en présence d'AuNPs avec et sans l'utilisation de rayonnements ionisants. Tout d'abord, nous avons étudié l'effet des AuNPs sur la radiolyse de l'eau en mesurant directement l'évolution des rendements en électrons solvatés dans le temps en utilisant la technique de radiolyse par impulsions picosecondes. Il n'y a pas eu d'augmentation de la production de radicaux primaires de l'eau en présence de AuNPs de différentes tailles et à une concentration allant jusqu'à 3 mM d'or (600 µM/m ou 0,06 % en poids) sous un faisceau d'électrons de 8 MeV. Ensuite, nous avons étudié l'effet des AuNPs sur la chimie des radicaux organiques par des expériences en régime permanent utilisant la radiolyse gamma. Pour deux types de radicaux produits dans des réactions avec des radicaux •OH : le radical α-hydroxyisopropyle formé par l'abstraction de l'atome •H du carbone α du 2-propanol, et les produits formes à partir de l'adduit OH sur de le cycle benzénique de l’acetanilide, nous avons constaté que les AuNPs catalysaient l'oxydation des radicaux organiques transitoires. Ces résultats démontrent que la détection des ROS par des colorants fluorescents ne peut pas être utilisée en présence de nanoparticules catalytiquement actives comme l'or car, dans cette méthode, les radicaux organiques transitoires sont toujours formés comme intermédiaires et les produits des réactions peuvent être modifiés. En outre, les résultats préliminaires sur l'oxydation de la vitamine C par l'oxygène moléculaire catalysée par les AuNPs sans rayonnement ionisant sont présentés, démontrant la capacité des AuNPs à catalyser les réactions RedOx, ce qui doit être pris en compte lorsque l'on travaille avec des cellules vivantes. Tous nos résultats indiquent que la propriété cruciale des nanoparticules causant l'effet radiosensibilisant est leur activité catalytique. Dans cette optique, nous proposons un nouveau mécanisme de radiosensibilisation induit par les AuNPs basé sur nos résultats et prenant en compte les données de la littérature.

Gold nanoparticles (AuNPs) are a promising class of radiosensitizers, agents that increase radiotherapy efficacy. In 2004, it was demonstrated that (AuNPs) accelerated tumour size reduction in mice after radio treatment. The use of gold was motivated by the so-called dose enhancement effect. Since gold has a high atomic number (Z=79), it absorbs more energy at the keV range than water or soft-tissue, increasing the overall ionization of irradiated volume due to the emission of secondary electrons and photons. Later, in vivo and in vitro experiments showed that the dose enhancement effect could not explain the observed radiosensitization. Nowadays, the proposed mechanism of nanoparticle-induced radiosensitization includes different physical, chemical, and biological effects. However, there is no consensus on the exact mechanism. The chemical effects are usually associated with the increased formation of reactive oxygen species (ROS), such as hydroxyl radicals (•OH), superoxide radicals (O₂•⁻), and hydrogen peroxide (H₂O₂), in the presence of nanoparticles. The primary method to detect ROS in biological studies is the use of fluorescent dyes. It is based on the oxidation of a non-fluorescent molecule to a fluorescent one in the reaction with ROS, assuming that increase in fluorescent intensity is proportional to the increase in ROS concentration. However, a dye oxidation process is a multistep process that includes the formation of a variety of products (not only the fluorescent one). AuNPs possess catalytic activity, which can change reaction pathways. In the current work, we examined the idea of increased ROS production in the presence of AuNPs with and without the use of ionizing radiation. First, we studied the effect of AuNPs on water radiolysis by directly measuring solvated electron yields evolution in time using the picosecond pulse radiolysis technique. There was no increase in primary water radicals production in the presence of AuNPs of different sizes and at a concentration up to 3 mM of gold (600 µM/m or 0.06 wt.%) under an 8 MeV electron beam irradation. Then, we studied AuNPs' effect on the chemistry of organic radicals by steady-state experiments using gamma radiolysis. For two types of radicals produced in reactions with •OH radicals: α-hydroxyisopropyl radical formed by •H atom abstraction from α-carbon of 2-propanol, and OH-adducts of acetanilide formed by •OH radical attachment to a benzene ring, we found that AuNPs catalyzed oxidation of transient organic radicals. These results demonstrate that ROS detection by fluorescent dyes cannot be used in the presence of catalytically active nanoparticles such as gold because, in this method, transient organic radicals are always formed as intermediates, and the products of the reactions can be modified. In addition, the preliminary results on Vitamin C oxidation by molecular oxygen catalyzed by AuNPs without ionizing radiation are presented, demonstrating the ability of AuNPs to catalyze RedOx reactions, which has to be considered when working with living cells. All our results indicate that the crucial properties of nanoparticles causing the radiosensitizing effect is their catalytic activity. In this view, we propose a new mechanism of radiosensitization induced by AuNPs based on our results and taking into account literature data.