Composites à Base de MOFs au Fer pour le Traitement des Infections Cutanées

Fe-MOF Based Composites to Treat Cutaneous Wound Infections

• Auteur / Autrice : Zhihao Yu
• Direction : Christian Serre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Poreux de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Gasser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Serre, Sébastien Lecommandoux, Alexandra Fateeva, Daniel Scherman, Anne Jamet, Mathilde Lepoitevin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Lecommandoux, Alexandra Fateeva

Mots clés

Mots clés libres

Metal-Organic Frameworks

Antimicrobien

Infection de la plaie

Administration de médicaments

Biomatériaux

Nanomédecine

Metal-Organic Frameworks

Antimicrobial

Wound infection

Drug delivery

Biomaterials

Nanomedicine

Résumé

Cette thèse vise à développer des systèmes d’administration de médicaments ainsi que des nanocomposites basés sur des solides poreux hybrides cristallisés ou « Metal Organic Frameworks » (MOFs) à base de Fer pour le traitement d’infections bactériennes et de cancer. Les MOFs à base de Fer ont récemment attiré une attention considérable dans le domaine biomédical en raison de leur faible toxicité, leur stabilité remarquable, leur dégradabilité ajustable et leur capacité à induire la réaction de Fenton. Ces dernières années, des recherches approfondies se sont concentrées sur l’utilisation de ces MOFs comme vecteurs de médicaments, combinant diverses stratégies thérapeutiques pour des études antibactériennes ou antitumorales. Cependant, la plupart des travaux reposent sur des composites complexes ou utilisent des méthodes de synthèse toxiques. Cela entrave l’optimisation du dosage des médicaments, la compréhension des mécanismes des stratégies thérapeutiques multimodales, le développement de méthodes de production évolutives, respectueuses de l’environnement et économiques, ainsi que l’évaluation de la biosécurité. Le passage de la recherche en laboratoire de composés à base de Fe-MOFs aux produits cliniques reste encore un challenge à relever. Au cours de ma thèse, nous avons sélectionné comme Fe-MOF un carboxylate de fer mésoporeux, le MIL-100(Fe), comme modèle représentatif pour encapsuler des colorants hydrophobes (IR775) ou des nanoclusters d’or (AuNCs) en tant qu’agents bioactifs. Ces composites ont été combinés avec la photothérapie ou la radiothérapie pour des études antibactériennes. Outre le MIL-100(Fe), une série de MOFs au fer cristallisant sous forme de bâtonnets a été synthétisée pour encapsuler un médicament de petite dimension et hydrophile, la metformine. En détail, cette thèse est divisée en cinq chapitres, résumés ci-dessous : 1. Introduction des MOFs au fer pour les applications biomédicales 2. Pansement photothérapeutique à base de MIL-100(Fe)@IR775 contre l’infection à SARM 3. MOF avec nanoclusters d’or intégrés dans des micro-aiguilles pour un traitement chimiodynamique-photodynamique synergique des infections à SARM 4. MOFs carboxylates dopés à l’Yttrium pour la radiothérapie intratumorale à faible dose 5. Carboxylates de fer (III) en forme de batônnets comme systèmes biomimétiques d’administration de médicaments contre l’infection à Mycobacterium En résumé, deux patchs pour les plaies à base de nanocomposites de MIL-100(Fe) ont été développés pour le traitement du SARM. Deux MOF carboxylates contenant du Y ont été étudiés en tant que nouveaux agents de radiothérapie. Une série de MOFs à base de carboxylate de fer en forme de batônnets ont été étudiés en tant que vecteurs de médicaments pour le traitement de Mycobacterium.

This thesis aims to develop drug delivery systems (DDS) against cancer or nanocomposites based on Fe-based metal-organic frameworks (MOFs) for the treatment of bacterial infections. Fe-carboxylate based MOFs (or Fe-MOFs) have recently attracted considerable attention in the biomedical field due to their low toxicity, remarkable stability, tunable degradability, and ability to induce the Fenton reaction. Recently, extensive research has focused on the use of Fe-MOFs as drug carriers, combining various therapeutic strategies for antibacterial or antitumor studies. However, most of the work relies on complex composite compositions and/or toxic synthetic routes. These challenges hinder the exploration of drug dosage, the understanding of the mechanisms of multimodal therapeutic strategies, the development of scalable, environmentally friendly and cost-effective production methods, and the evaluation of biosafety. The transition of Fe-MOFs-based composites from laboratory research to clinical products remains still challenging. In my Ph.D. thesis, we have selected the mesoporous Fe tricarboxylate MOF, MIL-100(Fe), as a representative Fe-MOF to load hydrophobic dyes (IR775) or gold nanoclusters (AuNCs) as bioactive agents to treat cutaneous infections. These Fe-MOFs-based composites have been combined with phototherapy or radiotherapy for antibacterial studies. In addition to this work, I have been involved in several international collaborations and I have utilized a series of rod-shaped Y or Fe-MOFs in a view of intratumoral radiotherapy or bacterial infection therapy. In detail, this thesis is divided into five chapters, as summarized below: 1. Introduction of Fe-MOFs for biomedical applications 2. MIL-100(Fe)@IR775-based phototherapeutic wound dressing against MRSA infection 3. Gold nanocluster-embedded Fe-MOF in microneedles for synergistic chemodynamic-photodynamic treatment of MRSA infections 4. Yttrium-90-doped MOFs for low-dose intratumoral radiotherapy 5. Rod-shaped Fe(III) carboxylates MOFs as biomimetic drug delivery systems against Mycobacterium infection In summary, two wound patches derived from MIL-100(Fe)-based nanocomposites were developed for the treatment of MRSA. Two Y- containing carboxylate MOFs were studied as novel radiotherapy agents. A series of rod-shaped Fe carboxylate-based MOFs were studied as drug carriers for the treatment of Mycobacterium.