Nanoparticules multifonctionnelles pour la libération contrôlée d'enzymes

Multi‐Functional nanoparticles for controlled enzyme delivery

• Auteur / Autrice : Andrea Cristina Montero Oleas
• Direction : Xavier Cattoen, Sara Aldabe-Bilmes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Biologie
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universidad de Buenos Aires
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....) - Universidad de Buenos Aires
• Jury : Président / Présidente : Fernando Battaglini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Peyrin, Verónica de Zea Bermudez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcelo Kogan, Bélèn Albela

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silice

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Silice

Coeur-Coquille

Nanoparticles

Core-Shell

Silica

Résumé

Les nanomatériaux ont un potentiel important pour transporter des molécules vers des sites spécifiques. Divers nano-objets, comme les liposomes, polymères et nanoparticules, ont été explorés comme nanovecteurs (NVs). Les NVs inorganiques sont particulièrement avantageux en raison de leur faible coût, leur biocompatibilité et leur flexibilité pour une modification de surface en vue d’une délivrance ciblée. Transportées dans un nanovecteur, les molécules sont protégées de la dégradation et peuvent être libérées au site ciblé par des stimuli externes tels que chimiques, magnétiques, lumineux ou ultrasonores. La lumière est intéressante grâce à son caractère non invasif et son contrôle à distance.Les nanoparticules de silice mésoporeuse (mSiO2) se distinguent par leur taille modulable, leur structure poreuse et leur fonctionnalité de surface, les rendant appropriées pour des applications en nanomédecine. Les nanoparticules d'or (AuNPs) apportent des propriétés uniques aux systèmes basés sur les mSiO2 grâce à leurs bandes de résonance plasmonique de surface , permettant une conversion efficace de la lumière en chaleur par effet photothermique. Cette combinaison de grande capacité de chargement et de propriétés photothermiques est exploitée dans les particules Au@mSiO2 à géomtrie cœur-coquille cœur-shell. La conception de ces particules nécessite un contrôle minutieux de facteurs comme le diamètre des particules et la taille des pores, ainsi que la forme du cœur en or pour optimiser l'efficacité photothermique et la délivrance ciblée.Cette thèse présente une méthode de synthèse innovante de particules Au@mSiO2 à pores larges, destinées à l'encapsulation efficace de protéines, avec des applications potentielles en thérapie protéique. Le mécanisme de synthèse via une méthode one-pot a été exploré de manière systématique, aboutissant à une conception rationnelle et reproductible de particules Au@mSiO2 avec un contrôle précis de la taille. Pour obtenir des particules à pores larges, des méthodes de préparation de type seed-growth ont été employées, par croissance d’une coquille de silice à pores larges autour d’un noyau préformé. Deux stratégies ont été explorées : (1) l'utilisation d'agents d'expansion des pores pour produire des coques de silice avec des pores jusqu'à 7 nm de diamètre, et (2) la croissance stratifiée dans un milieu biphasique, où de grandes hémimicelles ont servi de gabarits pour créer des pores jusqu'à 20 nm de diamètre.La stabilité des particules synthétisées a été évaluée dans des conditions simulant les environnements physiologiques (PBS 100 mM) pour évaluer leur fiabilité pour des applications biomédicales. La méthode de croissance biphasique a produit les nanoparticules les plus stables, qui ont maintenu leur morphologie jusqu'à 3 jours d’ incubation dans un milieu à haute salinité.Les capacités de rétention et de protection des protéines ont été démontrées en utilisant trois protéines modèles—albumine sérique bovine, peroxydase du raifort et protéine fluorescente rouge—avec des structures et poids moléculaires distincts. Les résultats ont montré que la capacité d'adsorption des protéines était directement corrélée à la taille des pores et à la structure des protéines. De plus, la stabilité des protéines encapsulées dans des nanoparticules à pores larges s’est révélée supérieure à celle des protéines libres en solution.En conclusion, cette thèse présente une méthode de synthèse optimisée combinant les méthodes one-pot et de croissance biphasique pour produire des nanoparticules avec des tailles de pores ajustables (de 3 à 20 nm), des diamètres finaux contrôlés (~100 nm), et une grande stabilité dans des conditions physiologiques. Ces nanoparticules Au@mSiO2 à pores larges représentent une avancée significative dans le domaine de la nanomédecine, offrant une plateforme prometteuse pour la délivrance contrôlée de protéines.

Nanomaterials hold great potential for directing molecules through fluids to specific sites. A diversity of nano-objects, such as liposomes, polymers or nanoparticles have indeed been explored as nanovehicles (NVs). Among these, inorganic-based NVs are particularly advantageous due to their low cost, good biocompatibility, and versatility to be surface-modified for targeted delivery. Transported within a nano-vehicle, a molecule is protected from degradation and can be released at the target site by external stimuli such as chemical, magnetic, light, or ultrasound triggers. Light, in particular, is promising due to its non-invasive nature and capability for remote control.Mesoporous silica nanoparticles (mSiO2) stand out due to their tunable size, porous structure, and surface functionality, making them suitable for applications in nanomedicine. Gold nanoparticles (AuNPs) add unique properties to mSiO2-based systems with their localized surface plasmon resonance bands, enabling efficient light-to-heat conversion through the photothermal effect. This combination of high loading capacity and photothermal properties is harnessed in core-shell Au@mSiO2 particles. Designing these particles requires careful consideration of factors such as the diameter of the core-shell particles, the size and functionalization of the pores, and the shape of the gold core to optimize photothermal efficiency and targeted delivery.This thesis introduces a novel synthesis of large-pore Au@mSiO2 particles aimed at effectively encapsulating proteins, with potential applications in protein therapy. The synthesis mechanism was systematically explored through a one-pot method, resulting in a rational and reproducible design of Au@mSiO2 particles with precise size control. To achieve large-pore Au@mSiO2 particles, seed-growth synthesis methods were employed, wherein a silica shell with larger pores was grown on a pre-synthesized seed. Two strategies were investigated for creating large-pore structures: (1) using pore-expanding agents to produce silica shells with pores up to 7 nm in diameter, and (2) employing stratified growth in a biphasic medium, where large hemimicelles acted as templates to create pores up to 20 nm in diameter.The stability of the synthesized particles was assessed under conditions simulating physiological environments (100 mM PBS) to evaluate their reliability for biomedical applications. The stability of the nanoparticles was found to depend on both the synthesis method and particle concentration. Notably, the biphasic growth method produced the most stable nanoparticles, which maintained their morphology for up to 3 days post-incubation in high-salinity medium, even at concentrations below the silica solubility limit.The protein retention and protection capabilities of the synthesized nanoparticles were demonstrated using three model proteins—bovine serum albumin, horseradish peroxidase, and red fluorescent protein—each possessing distinct structures and molecular weights. The results indicated that protein absorption capacity was directly correlated with pore size and protein structure. Moreover, the stability of the adsorbed proteins was examined, revealing that proteins encapsulated within large-pore nanoparticles exhibited greater stability compared to free proteins in solution, suggesting that the pore walls effectively shield the proteins from environmental stressors.