Développement et validation d'agents sonosensibles pour la thérapie du cerveau

Development and validation of sonosensitive agents for brain therapy

• Auteur / Autrice : Ambre Dauba
• Direction : Anthony Novell, Nicolas Tsapis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale multimodale Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2020-....) - Institut Galien Paris-Saclay (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1998-....) - Institut Galien Paris-Saclay (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie Poirier-Quinot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Krafft, François Yu, Pauline Muleki Seya, Olivier Couture
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Krafft, François Yu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Barrière hématoencéphalique

Microbulles de contraste

Sonoporation

Mots clés libres

Ultrasons

Thérapie

Microbulles

Nanogouttelettes

Barrière hémato-encéphalique

Ultrasound

Therapy

Microbubbles

Nanodroplets

Blood-Brain barrier

Résumé

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est une barrière physiologique qui protège et régule le système nerveux central en contrôlant les échanges de molécules et de cellules entre les compartiments sanguin et cérébral. La BHE, tout en empêchant l'entrée de composés potentiellement dangereux, est le principal obstacle à la pénétration intracérébrale de presque tous les produits pharmaceutiques développés pour traiter les maladies du cerveau puisqu’elle bloque le passage de plus de 95% des agents thérapeutiques du sang vers le cerveau. Parmi les différentes techniques permettant de délivrer des médicaments à travers la BHE, l'utilisation d'ultrasons focalisés (FUS) en conjonction avec l’administration de microbulles est une approche intéressante car elle est ciblée, réversible et non invasive. Les microbulles soumises à une onde ultrasonore oscillent (cavitation) et desserrent par action mécanique les cellules de la BHE, favorisant le passage de petites molécules vers le cerveau. Cette approche innovante est en cours d’évaluation clinique pour le traitement du glioblastome ou encore de la maladie d’Alzheimer. Les agents sonosensibles jouent un rôle prépondérant dans l’efficacité et la sécurité du protocole ultrasonore. Toutefois, les agents utilisés actuellement en clinique ont été développés pour l’imagerie et ne sont pas optimaux pour des applications thérapeutiques. Il s’avère donc fondamental d’optimiser ces agents et d’en maitriser la cavitation pour une application sûre. L’objectif de ce projet de thèse est de développer et valider de nouveaux agents sonosensibles efficaces, stables et biocompatibles pour la thérapie du cerveau. La coquille de l’agent, son cœur, et sa phase liquide (gouttelette) ou gazeuse (bulle) doivent être choisis et optimisés afin de garantir une bonne sensibilité ultrasonore tout en maintenant leur stabilité en circulation dans le sang. Nous avons, mis au point deux formulations d’agents sonosensibles possédant des coquilles différentes : une coquille phospholipidique classique (LIP) développée en collaboration avec le CBM (Orléans) et une coquille contenant un mélange de phospholipides et de polymères fluorés (POL). Ces deux coquilles ont été utilisées pour produire des microbulles et des nanogouttelettes contenant des perfluorocarbures à faible température d’ébullition (C₄F₁₀ et C₃F₈). Les microbulles ont été comparées aux microbulles commerciales SonoVue utilisées en essais cliniques. Les nanogouttelettes ont été développées en étroite collaboration avec le Dayton Laboratory aux États-Unis. Après leur formulation, les agents sonosensibles ont été caractérisés exhaustivement, de leurs propriétés physico-chimiques à leur efficacité in vivo en passant par leur caractérisation acoustique et leur efficacité in vitro dans le cas des microbulles.Ces travaux ont permis de mettre en place une thématique de recherche inédite au laboratoire BioMaps et de valider les microbulles LIP et POL pour l’ouverture sûre de la BHE. Le développement de nanogouttelettes de perfluorocarbures à faible point d’ébullition pour l’ouverture de la BHE reste un champ à explorer pour lequel très peu de travaux scientifiques ont déjà été publiés. Le développement de techniques de caractérisations fiables et de protocoles ultrasonores sûrs et efficaces pour l’utilisation de ces nanogouttelettes in vivo a été amorcé et doit être poursuivit au-delà de cette thèse. Ce travail de thèse a permis de mettre en lumière l’intérêt de la microscopie électronique en transmission pour caractériser la morphologie et la composition des suspensions de nanogouttelettes de perfluorocarbures à faible température d’ébullition. Les agents sonosensibles développés pendant cette thèse ont pour vocation d’être utilisés, notamment pour le traitement du glioblastome, pour les nombreux projets basés sur l’ouverture de la BHE par FUS en cours de développement au laboratoire BioMaps.

The blood-brain barrier (BBB) is a physiological barrier that protects and regulates the central nervous system. While it prevents the entry of potentially harmful substances, the BBB also poses a significant challenge for delivering pharmaceuticals to treat brain diseases, as it blocks the passage of over 95% of therapeutic agents from the blood to the brain. Among the various techniques for overcoming the BBB, the use of focused ultrasound (FUS) in combination with microbubbles is highly promising due to its targeted, reversible, and non-invasive nature. When exposed to ultrasonic waves, microbubbles undergo oscillation (cavitation) and mechanically loosen the cells of the BBB, facilitating the passage of small molecules into the brain. This innovative approach is currently undergoing clinical evaluation for the treatment of glioblastoma and Alzheimer's disease. Sonosensitive agents play a crucial role in the efficacy and safety of the ultrasound protocol. However, the currently clinically used agents were primarily developed for imaging purposes and are not optimal for therapeutic applications. Therefore, it is essential to optimize these agents and control their cavitation for safe application.The objective of this thesis project is to develop and validate new efficient, stable, and biocompatible sonosensitive agents for brain therapy. The selection and optimization of the agent's shell, core, and liquid (droplet) or gaseous (bubble) phase are crucial to ensure good ultrasound sensitivity while maintaining stability in the bloodstream. We have developed two formulations of sonosensitive agents with different shells: a conventional phospholipid shell (LIP) developed in collaboration with the CBM (Orléans) and a shell containing a mixture of phospholipids and fluorinated polymers (POL). These two shells were used to produce microbubbles and nanodroplets containing low-boiling perfluorocarbons (C₄F₁₀ and C₃F₈). The microbubbles were compared to commercially available SonoVue microbubbles used in clinical trials. The development of nanodroplets was carried out in close collaboration with the Dayton Laboratory in the United States. Following their formulation, the sonosensitive agents were extensively characterized, ranging from their physicochemical properties to their in vivo efficiency, including acoustic characterization and in vitro efficiency in the case of microbubbles.This work has allowed the BioMaps laboratory to establish a new research theme and validate the LIP and POL microbubbles for the safe opening of the BBB. The development of low-boiling perfluorocarbon nanodroplets for BBB opening remains an unexplored area with very few scientific publications available. Initiatives to develop reliable characterization techniques and safe and efficient ultrasound protocols for the in vivo use of these nanodroplets have been initiated and must continue beyond this thesis. The thesis work has demonstrated the value of transmission electron microscopy in characterizing the morphology and composition of perfluorocarbon nanodroplet suspensions at low boiling temperatures.The sonosensitive agents developed during this thesis are intended for use, particularly in the treatment of glioblastoma, in the numerous projects focused on BBB opening using FUS currently being developed in the BioMaps laboratory.