Nanosystèmes de dendrimères supramoléculaires auto-assemblés pour l'imagerie tumorale par tomographie par émission de positrons

Self-assembling supramolecular dendrimer nanosystems for tumor imaging using positron emission tomography

• Auteur / Autrice : Tom Roussel
• Direction : Ling Peng, Suzanne Giorgio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Soutenance le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Guillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ling Peng, Suzanne Giorgio, Anne-Marie Caminade, Salvatore Di maro, Stefania Scala
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Marie Caminade, Salvatore Di maro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie par émission

Dépistage précoce du cancer

Autoassemblage

Imagerie médicale

Mots clés libres

Dendrimère amphiphile

Imagerie médicale

Auto-Assemblage

Diagnostic du cancer

Tomographie par emission de positron

Amphiphilic dendrimer

Bioimaging

Self-Assembly

Cancer diagnostic

Positron emission tomography

Résumé

La bio-imagerie est prometteuse pour la détection et le diagnostic des maladies, en particulier le cancer. Cependant, la sensibilité et la spécificité de l'imagerie médicale constituent encore des défis majeurs. Les nanotechnologies offrent des agents d'imagerie qui pourraient améliorer la sensibilité et la spécificité en transportant divers rapporteurs d'imagerie tout en ciblant efficacement les tumeurs, soit de manière passive, soit de manière active.La première partie de mon doctorat a été consacrée au développement de nanosystèmes de dendrimères auto-assemblés pour l'imagerie par tomographie par émission de positons (TEP) en vue d'étudier l'impact de l'équilibre hydrophobe/hydrophile des dendrimères amphiphiles sur leur biodistribution. Plus précisément, nous avons développé de nouveaux dendrimères amphiphiles qui intègrent différents composants hydrophobes, notamment des motifs fluorés et une entité hydrophobe élargie portant deux chaînes alkyles. De manière remarquable, l'un des dendrimères amphiphiles fluorés a présenté une sensibilité et une spécificité accrues pour l'imagerie TEP des tumeurs par rapport à la référence clinique [18F]Fluorodéoxyglucose. Ce dendrimère offre d'excellentes performances en matière d'imagerie tumorale grâce à sa structure multivalente offrant un grand nombre de rapporteurs d'imagerie, mais aussi son auto-assemblage en agents nanométriques permettant un ciblage passif des tumeurs via l'effet de perméabilité et de rétention améliorées (EPR) et son élimination rapide par excrétion urinaire. En revanche, le dendrimère amphiphile avec une partie hydrophobe plus large a formé des nanoparticules plus stables, qui ont montré une absorption extrêmement élevée dans le foie, ce qui exclut son utilisation ultérieure pour l'imagerie TEP des tumeurs. Collectivement, ces résultats démontrent que la modification du composant hydrophobe dans le dendrimère amphiphile peut avoir un impact significatif sur l'auto-assemblage et la biodistribution in vivo. Cette étude a permis d'acquérir de nouvelles connaissances et d'améliorer notre compréhension de la conception rationnelle de nanosystèmes auto-assemblés en tant qu'agents d'imagerie.Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai exploré la stratégie d'auto-assemblage pour construire des nanotraceurs modulaires avec des motifs de ciblage actifs pour l'imagerie TEP des tumeurs. J'ai d'abord synthétisé des dendrimères amphiphiles portant des terminaisons de mannose et de glucose dans le but de cibler le récepteur du mannose et le transporteur du glucose, respectivement. Nous avons également développé des molécules amphiphiles portant des ligands peptidiques RGD et R54 pour cibler les récepteurs intégrine et CXCR4 surexprimés sur les cellules cancéreuses. Ensuite, des nanotraceurs ont été créés en co-assemblant des molécules amphiphiles portant des motifs de ciblage et des dendrimères amphiphiles avec des éléments d'imagerie. Les nanosondes dendrimères portant des terminaisons RGD ont montré une accumulation presque deux fois plus importante dans les tumeurs cérébrales que les nanosondes sans motif de ciblage. Ces données soutiennent le concept d'auto-assemblage pour construire des nanosondes modulaires composées de différents agents d'imagerie et motifs de ciblage pour une imagerie TEP efficace des tumeurs.Les études réalisées dans le cadre de ma thèse illustrent le potentiel considérable des nanosystèmes de dendrimères auto-assemblés pour l'élaboration de nanosondes dans le domaine de la bio-imagerie. La nature modulaire de l'auto-assemblage offre la flexibilité et l'adaptabilité nécessaires au développement d'une variété de nanosondes pour des applications diverses et spécifiques réalisant la médecine de précision et personnalisée. En outre, il est important de souligner que le concept de dendrimère supramoléculaire modulaire établi dans cette thèse peut être élargi pour créer des nanosondes adaptées à l'imagerie multimodale et à la théranostique.

Bioimaging has offered great promise for disease detection and diagnosis, in particular for cancer management. However, imaging sensitivity and specificity still constitute major challenges. Application of nanotechnology for elaborating imaging agents can offer the potential to increase imaging sensitivity and specificity, because nanosized probes possess the ability to carry a large number and different types of imaging reporters while also exhibiting tumor-targeting capabilities via either passive or active tumor targeting.The first part of my PhD thesis was devoted to the development of self-assembling dendrimer nanosystems for positron emission tomography (PET) imaging in the view to study the impact of the hydrophobic/hydrophilic balance of amphiphilic dendrimers on their bio-distribution. Specifically, we developed new amphiphilic dendrimers that incorporate different hydrophobic components including fluorinated motifs and enlarged hydrophobic entity bearing two alkyl chains. Remarkably, one of the fluorinated amphiphilic dendrimers exhibited increased sensitivity and specificity for PET imaging of tumor compared with the clinical reference [18F]Fluorodeoxyglucose. This dendrimer shows excellent tumor imaging performance due to its self-assembly into nanosized agents for passive tumor targeting via enhanced permeability and retention EPR effect, rapid elimination through urinary excretion, and multivalent imaging reporters. In the contrast, the amphiphilic dendrimer with larger hydrophobic component formed more stable nanoparticles, which showed extremely high uptake in liver, excluding it further use for PET imaging of tumor. Collectively, these results demonstrate that alteration of hydrophobic component in the amphiphilic dendrimer can significantly impact the self-assembling and the in vivo biodistribution. This study has provided new knowledge and enhanced our understanding for the rational design of self-assembling nanosystems as imaging agents.In the second part of my doctoral thesis, I explored self-assembling strategy to construct modular nanotracers with active targeting motifs for PET imaging of tumor. I first synthesized amphiphilic dendrimers bearing mannose and glucose terminals with the aim of targeting the mannose receptor and glucose transporter, respectively. We also developed amphiphilic molecules bearing peptide ligands RGD and R54 for targeting the integrin and CXCR4 receptors overexpressed on cancer cells. Then, nanotracers harboring both targeting ligands and imaging units on the same nanoparticles were constructed by co-assembly of the amphiphilic molecules bearing the targeting motifs with the amphiphilic dendrimers bearing imaging reporters. Further physico-chemical studies revealed that the so-constructed nanotracers were small in size (⁓ 30 nm) and stable in serum, and they targeted the related receptors and cells effectively in vitro and in vivo. For example, the dendrimer nanoprobes bearing the R54 targeting peptide exhibited nanomolar affinity for CXCR4 receptor, similar to that of R54 alone. Also, the dendrimer nanoprobes carrying RGD terminals showed nearly 2-fold enhanced accumulation in brain tumor when compare to that without targeting motif. All these data support for the concept of self-assembling to construct modular nanoprobes consisting of different imaging agents and targeting motifs for effective tumor PET imaging.The ensemble studies from my PhD thesis illustrate the considerable potential of self-assembling dendrimer nanosytems for elaborating nanoprobes in bioimaging. The modular nature of self-assembly provides flexibility and adaptability to develop a variety of nanoprobes for diverse and specific applications realizing precision and personalized medicine. Furthermore, it is important to highlight that the modular supramolecular dendrimer concept established in this thesis can be expanded to create nanoprobes suitable for multimodal imaging and theranostics.