Nanoparticules polymériques pour le traitement de maladies infectieuses pulmonaires

Polymeric nanoparticles for the treatment of lung infectious diseases

• Auteur / Autrice : Tom Bourguignon
• Direction : Ruxandra Gref, Priscille Brodin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• 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 : Eric Deprez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jost Enninga, Florence Ader, Laurent Marsollier, Dan Peer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jost Enninga, Florence Ader

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérimentation animale

Microscopie

Covid-19

Tuberculose

Polymères

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules polymériques

Tuberculose

Covid-19

Nanoparticle tracking analysis

Microscopie d'imagerie à haut débit

Expérimentation animale

Polymeric nanoparticles

Tuberculosis

Covid-19

Nanoparticle tracking analysis

High-Content automated microscopy

Animal experimentation

Résumé

Les maladies infectieuses ont de tout temps constitué une menace pour l'humanité. La preuve en a encore été faite récemment par la pandémie de COVID-19 (COronaVIrus Disease 2019). Cependant, cette dernière a également mis en avant le potentiel des nanotechnologies pour le développement de thérapies innovantes, grâce aux vaccins contenant des nanoparticules (NPs) pour la protection et la vectorisation d'ARN messager. Ce travail explore le potentiel de NPs de PLGA (acide poly(lactique-co-glycolique)) pour le traitement de deux maladies pulmonaires : la tuberculose, un mal vieux de plusieurs millénaires ainsi que la maladie infectieuse la plus meurtrière actuellement, et le COVID-19, la deuxième pandémie de ce siècle.Pour commencer, un travail de recherche bibliographique s'intéresse à la physiopathologie et au traitement de Mycobacterium tuberculosis (Mtb), mais surtout à l'évolution des NPs depuis trente ans pour l'optimisation de la thérapie antituberculeuse. Cette revue, publiée dans Pharmaceutics en 2023, met en exergue les NPs et antibiotiques les plus étudiés pour y parvenir, et donne des pistes sur l'avenir des traitements personnalisés.Pour l'étude des NPs de PLGA préparées, une technique de caractérisation, la NTA (nanoparticle tracking analysis), est détournée de son usage originel pour l'exploration des interactions cellules-NPs. En effet, les NPs sont incubées avec des cultures cellulaires avant que les surnageants ne soient analysés par NTA, permettant ainsi de quantifier leur internalisation au cours du temps. Un tel usage, détaillé dans un article paru dans l'International Journal of Pharmaceutics en 2021, n'avait jamais été décrit dans la littérature auparavant.Le potentiel des NPs pour le ciblage de Mtb est ensuite exploré. In vitro, il s'avère que les NPs sont préférentiellement internalisées par les cellules infectées par rapport aux cellules non-infectées. En outre, il existe une corrélation positive entre le nombre de bactéries intracellulaires et le nombre de NPs capturées. In vivo, chez la souris, une seule injection de NPs en intranasal permet de cibler l'organe d'intérêt (les poumons), le type cellulaire d'intérêt (les macrophages alvéolaires, siège de l'infection par Mtb), ainsi que les cellules infectées par rapport aux cellules non-infectées, les premières capturant trois fois plus de NPs en moyenne que les secondes. Ces résultats ont fait l'objet d'un article actuellement en cours de révision.Enfin, une étude est menée pour encapsuler et solubiliser une molécule active au sein des NPs pour le traitement du COVID-19. Un travail d'optimisation permet d'obtenir un taux d'encapsulation de 98,3%, une charge de 24,9%, et une concentration dans l'eau de 5 mg/mL pour cette molécule hydrophobe. Son mécanisme de libération est également étudié. Chez la souris et chez le hamster, il apparaît que quelques injections en intranasal seulement permettent de réduire la charge virale pulmonaire de 1,4 log10/mL, avec une toxicité très limitée. Par ailleurs, il est démontré chez la souris que la molécule encapsulée empêche l'inflammation pulmonaire habituellement associée au COVID-19. Cette étude, qui sera prochainement soumise pour publication, pose les bases d'une thérapie post-infection pour les sujets les plus vulnérables face au virus. D'autres résultats non-inclus dans l'article, par ailleurs, s'intéressent à différentes formulations de NPs pour influer sur la libération de la molécule et prolonger son activité antivirale et anti-inflammatoire in vivo. L'ensemble de cette étude a fait l'objet d'un dépôt de brevet en 2023.En conclusion, ce travail démontre le potentiel des NPs de PLGA pour le traitement de deux des maladies infectieuses pulmonaires les plus meurtrières actuellement, et offre des perspectives pour des études futures.

Infectious diseases have always been a threat to mankind, as reminded by the recent COVID-19 (COronaVIrus Disease 2019) pandemic. However, the latter has also highlighted the potential of nanotechnologies for the development of innovative therapies, thanks to vaccines containing nanoparticles (NPs) for messenger RNA protection and vectorization. This work explores the potential of PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) NPs for the treatment of two lung diseases: tuberculosis (TB), a millennia-old ailment as well as the deadliest infectious disease worldwide, and COVID-19, the second pandemic of this century.To begin with, we take interest in the physiopathology and treatment of Mycobacterium tuberculosis (Mtb), but most of all, in the evolution of NPs over the last thirty years for the optimization of TB therapy. This literature review, published in Pharmaceutics in 2023, highlights the most studied NPs and antibiotics to this end, and offers perspectives for the future of advanced and tailored treatments.For the study of the prepared PLGA NPs, a characterization technique, NTA (nanoparticle tracking analysis), is diverted from its original use to explore cell-NP interactions. NPs are incubated with cell cultures before the supernatants are analyzed by NTA, thus enabling to quantify NP internalization over time. Such a use, detailed in an article published in the International Journal of Pharmaceutics in 2021, had never been described in the literature before.The NP potential for the targeting of Mtb is then explored. In vitro, it appears that NPs are preferentially internalized by infected cells as compared to non-infected ones. Furthermore, there is a positive correlation between the number of intracellular bacteria and the number of captured NPs. In vivo, in a mouse model, a single intranasal NP injection allows for the targeting of the organ of interest (the lungs), the cell type of interest (alveolar macrophages, the site of Mtb infection), and infected cells rather than non-infected ones, the former capturing three times more NPs on average than the latter. These results are the subject of an article currently being reviewed.Finally, a study takes interest in the encapsulation and solubilization of an active molecule for the treatment of COVID-19. Optimization studies resulted in drug encapsulation of 98.3%, drug loading of 24.9%, and a concentration in water of 5 mg/mL for this hydrophobic molecule. Its release mechanism was also unraveled. In a mouse and in a hamster model, it appears that a few intranasal injections reduce the lung viral load by 1.4 log10/mL, with very limited toxicity. In a mouse model, the encapsulated molecule is shown to prevent lung inflammation usually associated with COVID-19. This study, which will be submitted for publication shortly, lays the foundations for a post-infection therapy for the most vulnerable patients. Other results, non-included in the article, explore different NP formulations to influence and prolong drug release in vivo. A patent has been filed for this study in 2023.In conclusion, this work demonstrates the potential of PLGA NPs for the treatment of two of the deadliest infectious lung diseases currently, and offers prospects for future studies.