Synthèse et modification de surface de nanoparticules multifonctionnelles pour des applications en Oncologie

Synthesis and surface modification of multifunctional nanoparticles for applications in Oncology

• Auteur / Autrice : Megi Bejko
• Direction : Olivier Sandre, Stéphane Mornet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) - Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Lecommandoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eneko Garaio, Sylvie Bégin-Colin, Véronique Gigoux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ali Abou-Hassan, Florent Carn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie des surfaces

Surfaces (technologie) -- Analyse

Synthèse (chimie)

Mots clés libres

Oxyde de fer

Or

Nanoparticules

Cibles passives et actives

Hypertermie magnétique

Bio-imagerie

Pharmacocinétique

Iron oxide

Gold

Nanoparticles

Passive and active targeting

Magnetic hyperthermia

Bioimaging

Pharmacokinetics

Résumé

Cette thèse porte sur la synthèse, la caractérisation et sur les stratégies de modification de surface adaptées aux NPs d'oxyde de fer et d'or pour des applications thérapeutiques et d'imagerie en oncologie. Les nanofleurs d'oxyde de fer NFs, sont connues pour leur remarquable efficacité de chauffage, une propriété liée à leur morphologie multicœur. Cependant, les études concernant la relation entre les caractéristiques structurelles et leurs propriétés magnétiques sont encore rares et souvent réalisées dans des conditions de champ magnétique alternatif limité. Dans cette optique, la première partie de ce travail porte sur la relation entre la taille, la morphologie et les défauts ainsi que sur les conditions de champ magnétique en mesurant l'efficacité thermique des NFs sous une large gamme de conditions de champ magnétique. Une efficacité optimale a ainsi été obtenue pour un diamètre de 22 nm à des amplitudes H < 16 kAm-1. La deuxième partie concerne l’utilisation des NFs pour l'hyperthermie intra-lysosomale. Contrairement à l'hyperthermie magnétique, lors de l’hyperthermie lysosomale, les cellules cancéreuses sont éradiquées sous champ magnétique grâce à l'utilisation d'une très faible dose de NFs et sans augmentation de la température macroscopique. Plus précisément, l'exposition au champ magnétique provoque la réaction cytotoxique de Fenton. Cependant, l'origine des ions (ions de fer exogènes provenant de la dégradation des NPs; ou endogènes) impliqués dans la réaction de Fenton demeure inconnue. Dans le but de clarifier l'origine de ces ions, des techniques de modification de surface ont été développées pour créer des NFs avec des profils de dégradabilité différents dans le lysosome. Dans ce but, des NFs dégradables ont été simplement recouverts d'une couronne de polyéthylène glycol PEG conjugués à la gastrine, connue pour cibler activement le récepteur cholécystokinine-2 des cellules cancéreuses pancréatiques et acheminer les NPs vers leurs lysosomes. En parallèle, une morphologie cœur-coquille a été produite, comprenant une coquille de SiO2 entourant le noyau de NF, agissant comme une barrière à la dégradation des NFs. Ces dernières ont par la suite été recouvertes d’une même couronne de PEG par greffage covalent, puis conjuguées avec la gastrine. Ce travail démontre que les NFs induisent efficacement la mort cellulaire par deux voies:1/ les points chauds locaux activent la réaction de Fenton initiée à partir d'ions endogènes.2/ À un niveau élevé d'endocytose, les ions de fer libérés par les NF peuvent se combiner avec la chaleur dans la réaction de Fenton, augmentant la mort cellulaire par rapport à celles résistantes à la dégradation. Dans une troisième partie, le comportement in vivo des NPs PEGylées a été abordé grâce à la combinaison de deux techniques d'imagerie complémentaires: l'imagerie optique OI et la tomographie par rayons X (µCT). Pour cela, des NPs bi-modales cœur-coquille Au@SiO2 PEGylées ont été développées. La conception de ces NPs, capables d'associer la résolution spatiale et l’analyse quantitative non invasive de la μ-CT à la sensibilité de l'OI permet un suivi complet de leur comportement in vivo. Des techniques de modification de surface permettant d'ajuster les caractéristiques physicochimiques ont été mises en œuvre pour répondre aux exigences de chaque modalité de bioimagerie et pour améliorer la pharmacocinétique (PK) des NPs. L'évaluation du profil PK par OI a montré que les NP présentent un temps de circulation prolongé dans le sang, persistant jusqu'à 72 h après l'injection dans une souris porteuse d’une tumeur sous-cutanée. L'imagerie µCT a mis en lumière la distribution hétérogène des NPs dans la tumeur, principalement due aux défauts vasculaires et à l'hétérogénéité de l’effet EPR dans la tumeur. Le suivi des NPs bimodales par des techniques d'imagerie a mis en évidence les barrières biologiques à franchir pour une meilleure performance.

This thesis reports the synthesis, characterization as well as surface modification strategies adapted toiron oxide and gold NPs for therapeutic and imaging applications in oncology. The first part of this workfocuses on iron oxide nanoflowers NFs, known for their remarkable heating efficiency, a propertytightly related to their multi-core morphology. However, studies concerning the relationship betweenthe structural features and their magnetic properties are still scarce, and often performed underlimited alternating magnetic field AMF conditions of amplitude and frequency. With this in mind, thefirst part of this work investigates the relationship between all the parameters known to affect themagnetic properties of NFs: size, morphology, defects as well as the AMF by recording the heatefficiency of NFs under a wide range of AMF conditions. Hence, the optimal heat efficiency was foundfor a diameter of 22 nm and amplitudes H < 16 kAm-1. The second part of this thesis investigates NFsas heat mediators for intra-lysosomal hyperthermia MILH. Unlike traditional magnetic hyperthermia,in MILH cancerous cells are eradicated under AMF through the use of a very low iron oxide dose andwithout a perceptible macroscopic temperature increase, highlighting the power of this method as afuture cancer therapy. More specifically, AMF exposure causes the production of cytotoxic ReactiveOxygen Species ROS in the lysosomal compartments of cells, probably through the well-known Fentonreaction. However, the origin of these ions (exogenous originating from the degradation of NPs in thelysosome; or endogenous iron ions from the natural iron pool) involved in the cell death mechanismduring MILH is unknown. Aiming to clarify the origin of ions involved in cell death, surface modificationtechniques were developed to create NFs with different degradability profiles in the lysosome. For thisaim, degradable NFs were simply grafted by chemisorption of phosphonated polyethylene glycol PEGand conjugated with gastrin, the latter known to actively target the cholecystokinin-2 CCK2 receptorof pancreatic cancerous cells and specifically traffic the NPs towards their lysosomes. In contrast, acore-shell morphology was investigated, with a SiO2 shell surrounding the NF core, acting as a physicaland chemical barrier toward the NF degradation in the lysosomes. A PEG corona was covalently graftedon the surface of these NPs and also conjugated with gastrin. This thesis work demonstrates that NFsefficiently induce cell death under AMF through two routes:1/ local hot spots increase ROS generationfrom classic Fenton reaction initiated from intracellular endogenous ions.2/ At a high level ofendocytosis, the liberated iron ions from the degradable NFs can combine with heat in theupregulation of the Fenton cycle, enhancing cell death when compared to core-shell NPs. Thirdly, thein vivo behavior of NPs was addressed through the combination of two complementary imagingtechniques: in vivo Optical Imaging OI, and μ-computed tomography CT. For this, bi-modal PEG-coatedcore-shell Au@SiO2 NPs were developed. The design of such NPs capable of associating high spatialresolution and non-invasive quantitative analysis of μ-CT with the high sensitivity of OI enables fulltracking of the in vivo fate of the NPs. Surface modification techniques allowing to adjust thephysicochemical features were implemented to respond to the requirements of each bioimagingmodality and to enhance the pharmacokinetics (PK) of the NPs. Evaluation of the PK profile by OIshowed that the NPs exhibit long blood circulation time, persisting up to 72 h post-injection. μ-CTimaging highlighted the heterogeneous distribution of the NPs in the tumor, mainly due to vasculardefects and to the heterogeneity of the EPR effect in the tumor. The tracking of the bimodal NPsthrough imaging techniques highlighted the biological barriers to overcome for better therapeuticperformance of NPs.