Délivrance contrôlée d’anticancéreux à l’aide de nano-objets polymériques sensibles au pH guidés par IRM et imagerie par fluorescence

MRI and Fluorescence Image-Guided Drug Delivery by pH-Sensitive Polymer Nanocarriers

• Auteur / Autrice : Marie Devreux
• Direction : Olivier Sandre, Sophie Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université de Mons
• 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 : Pascal Gerbaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angela Mutschler, Robert Muller, Céline Henoumont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Chuburu, Jean-Michel Siaugue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cancer -- Thérapeutique

Nanoparticules

Médicaments polymères

Mots clés libres

Agent de contraste paramagnétique

Polymersome

Sonde optique proche-Infrarouge

Délivrance controlée

Polyester hydrolysable

Irm

Drug delivery

Mri

Near-Infrared optical probe

Polymersome

Hydrolyzable polyester

Paramagnetic contrast agent

Résumé

Le cancer reste une cause majeure de décès dans le monde. Beaucoup d’efforts sont dès lors réalisés afin de pouvoir le diagnostiquer à un stade précoce et le traiter plus efficacement. En effet, les traitements actuellement utilisés sont invasifs ou conduisent à une résistance aux médicaments en utilisant par exemple de nombreuses fois la chimiothérapie. C’est pourquoi il y a un intérêt croissant pour la nanomédecine et plus particulièrement pour les nano-objets polymériques afin d’améliorer les traitements actuels. Les raisons en sont qu’ils sont versatiles, c’est-à-dire qu’ils peuvent être synthétisés en fonction de l’application visée, que des molécules d’intérêt peuvent être greffées sur leur surface, qu’ils peuvent encapsuler des contrastophores et/ou des médicaments, qu’ils peuvent être sensibles à différents stimuli pour effectuer le relargage du médicament, etc. De plus, mettre en place une plateforme théranostique, combinant l’administration de médicaments et le suivi par imagerie, est un avantage. En effet, les contrastophores encapsulés ou greffés permettent de suivre in vivo les nano-objets ainsi que l’évolution du cancer. La technique d’imagerie la plus utilisée est l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Néanmoins, cette technique a un manque de sensibilité qui peut être palliée en utilisant un agent de contraste ou un système bimodal. Les agents de contrastes les plus utilisés en milieu hospitalier sont basés sur des complexes de gadolinium. Cependant, des études ont prouvé que ces agents de contraste conduisent à une fibrose systémique néphrogénique plus particulièrement chez les patients souffrant de maladies rénales et à une accumulation dans le cerveau après des injections répétées.Nous avons développé des nano-objets polymériques, des micelles et des vésicules (également appelées polymersomes) qui sont constitués d’une coque de polyester sensible au pH afin d’obtenir une libération contrôlée des médicaments encapsulés dans l’environnement tumoral acide. Le copolymère est composé d’une structure amphiphile PEO-b-P(CL-co-LA) avec une séquence hydrophobe statistique obtenue par polymérisation par ouverture de cycle (ROP) de l’-caprolactone et du L -lactide (LLA). Ces nano-objets sont capables lors de l’autoassemblage d’encapsuler la doxorubicine comme médicament pour le traitement du cancer ainsi qu’un contrastophore, le ZW800-1 qui est un fluorophore absorbant dans le proche infrarouge dérivé du vert d’indocyanine, un contrastophore déjà approuvé par la FDA en tant que fluorophore pour l’imagerie optique par fluorescence (FLI). Ces nanosystèmes ont été caractérisés par différentes techniques capables de mettre en évidence leur structure et ils ont été évalués in vitro et in vivo.Dans un second temps, pour pallier les problèmes induits par l’utilisation des complexes de gadolinium en IRM, nous avons développé des dérivés de pyclène complexés avec des ions manganèse. Les macrocycles développés ont été entièrement caractérisés et leur efficacité en IRM a été évaluée par différentes techniques de RMN. Enfin, leur biodistribution, leur efficacité et leur impact sur l’organisme ont été déterminés par des tests in vivo. L’efficacité des complexes de manganèse est proche de celle des complexes de gadolinium. Pour l’améliorer, il est possible de les greffer en surface des nano-objets susmentionnés afin de modifier leur temps de corrélation rotationnel, et donc leur efficacité. Pour ce faire, une stratégie par chimie click est envisagée, impliquant la fonctionnalisation des complexes de Mn et des polymères par les groupements chimiques adéquats. Différentes stratégies de synthèse ont été étudiées pour obtenir les composés désirés.

Cancer remains a major cause of death in the world. A lot of efforts are thus made to diagnose it at an earlier stage and to treat it more efficiently. Indeed, the actually used treatments are invasive or lead to multi drug resistance by using several times chemotherapy techniques in a row, for example. Therefore, for several reasons there is a growing interest in nanomedicine, and more particularly on polymeric nano objects, to improve current treatments. They are indeed tunable, that is to say that they can be synthesized and tailored for the aimed application, they are able to encapsulate dyes and/or drugs within the vesicles or at their surface, they can be stimuli sensitive to perform on-site drug delivery, and so on. Moreover, the theragnostic area which combines drug delivery and imaging shows a growing interest thanks to imaging contrast agents encapsulated in the nanoobjects, allowing to follow them in vivo and to diagnose the evolution state of cancers. The most used imaging technique in hospital is magnetic resonance imaging (MRI). Nevertheless, this technique suffers from a lack in sensitivity that can be palliated by using contrast agents or bimodal systems. The most used contrast agents in clinic are based on gadolinium complexes. However, studies have proved that these contrast agents can lead to nephrogenic systemic fibrosis, more particularly for patients with kidney diseases as well as an accumulation in the brain after repeated injections.Herein, we have developed polymeric nano-objects, micelles and vesicles (also called polymersomes) which are made of a pH-sensitive polyester shell to obtain a controlled release of the encapsulated drug in the acidic tumoral environment. The polymer carrier is composed of an amphiphilic copolymer PEO-b-P(CL-co-LA) with a statistical hydrophobic block obtained by ring opening polymerization (ROP) of -caprolactone and L-lactide (LLA). By adapting the self-assembly process, these nano-objects were shown to encapsulate doxorubicin, a well-known anti-cancer drug as well as fluorescent dyes, either rhodamine for cell studies or ZW800-1, a near infrared fluorophore derived from indocyanine green, which is already FDA approved as “contrastophore” in fluorescence live imaging (FLI). These nanosystems were characterized by different techniques able to evidence their structure, and then they were evaluated in vitro and in vivo.In the second part, to palliate to the issues induced by gadolinium complexes used in MRI, we have developed manganese complexes based on pyclen derivatives. The designed macrocyclic ligand was fully characterized and its efficiency in MRI was evaluated by different NMR techniques. Finally, their biodistribution, efficiency and impact in the organism were determined by in vivo tests. The manganese complexes showed an MRI contrasting efficiency close to that of gadolinium complexes. To improve it, it was envisaged to graft them on the surface of the nano-objects, which will modify the rotational correlation time of the complexes, and hence their efficacy. To perform this, a click chemistry reaction between the macrocycles and the nano-vesicles was planned, so that the Mn-complexes and the polymers have to be functionalized with the right chemical groups. Different strategies of synthesis were investigated to obtain the desired compounds.