Modélisation de l'adsorption et du relargage de molécules thérapeutiques sur des nanotubes de carbone monofeuillets

Modeling the adsorption and release of drugs on single-walled carbon nanotubes

• Auteur / Autrice : Carlos Salas
• Direction : Eric Anglaret, Bernard Hehlen
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Nanostructures et Spectroscopies

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique quantique

Nanotubes de carbone

Dynamique moléculaire

Mécanique moléculaire classique

Vectorisation

Adsorption

Quantum mechanics

Adsorption

Vectorization

Molecular mechanics

Carbon nanotubes

Molecular dynamics

Résumé

Notre équipe au L2C étudie depuis de nombreuses années la spectroscopie optique des nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT) dispersés dans des fluides complexes. Les transitions excitoniques dans les SWNT rendent leurs énergies d'absorption et de fluorescence sensibles à l'environnement diélectrique. Cette sensibilité permet de sonder l'adsorption, la réorganisation et les échanges moléculaires à leur surface. Nous avons montré récemment que la spectroscopie couplée Raman/fluorescence dans le proche infrarouge permet de suivre l'adsorption de doxorubicine (DOXO) sur des complexes à base de SWNT, avec des rapports de masse DOXO/SWNT variant de 0 à 1, correspondant à une monocouche dense. De plus, les spectroscopies UV-visible d'absorption et de fluorescence ont révélé que la DOXO s'adsorbait sur ces complexes jusqu'à des rapports DOXO/SWNT proches de 100. Pour affiner l'organisation des molécules de DOXO et estimer les énergies d'interaction avec les SWNT, des calculs numériques sont nécessaires. La thèse sera consacrée à des calculs en mécanique quantique (MQ) et en mécanique moléculaire classique (MM), combinés à des méthodes de dynamique moléculaire (DM) basées sur les gradients (BG), visant à concevoir et optimiser des nano-systèmes avancés pour la vectorisation et la délivrance ciblée de molécules thérapeutiques par des SWNT. Nous nous intéresserons notamment à l'adsorption et au relargage de petites molécules inhibitrices de kinase (SMKI), utilisées pour le traitement des cancers. Les trois objectifs principaux seront : 1. L'optimisation de l'adsorption des SMKI sur les SWNT en fonction du diamètre et de l'angle chiral des nanotubes, de la concentration et du taux de substitution ionique de l'agent dispersant, et de leur relargage à pH acide (correspondant au pH des cellules), par MM validée par MQ 2. Le calcul des spectres d'absorption/émission par MQ, et MQ résolue en temps 3. La corrélation des simulations numériques avec les données expérimentales Les simulations seront effectuées en milieu aqueux implicite, ou en présence de molécules d'eau explicites, pour modéliser les interactions de solvatation et les effets de longue portée.

Our team at L2C has been studying the optical spectroscopy of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) dispersed in complex fluids for many years. The excitonic transitions in SWNTs make their absorption and fluorescence energies sensitive to the dielectric environment. This sensitivity allows probing the adsorption, reorganization, and molecular exchanges at their surface. We recently demonstrated that coupled Raman/fluorescence spectroscopy in the near-infrared range can track the adsorption of doxorubicin (DOXO) on SWNT-based complexes, with DOXO/SWNT mass ratios ranging from 0 to 1, corresponding to a dense monolayer. Additionally, UV-visible absorption and fluorescence spectroscopies revealed that DOXO adsorbs on these complexes up to DOXO/SWNT ratios close to 100. To refine the organization of DOXO molecules and estimate the interaction energies with SWNTs, numerical calculations are necessary. The thesis will focus on quantum mechanics (QM) and classical molecular mechanics (MM) calculations, combined with gradient-based molecular dynamics (MD) methods, aimed at designing and optimizing advanced nanosystems for the vectorization and targeted delivery of therapeutic molecules using SWNTs. We will particularly focus on the adsorption and release of small molecule kinase inhibitors (SMKIs) used in cancer treatment. The three main objectives will be: 1. Optimizing the adsorption of SMKIs on SWNTs based on the nanotube diameter and chiral angle, the concentration and ionic substitution rate of the dispersing agent, and their release at acidic pH (corresponding to cellular pH), using MM validated by QM. 2. Calculating absorption/emission spectra using QM and time-resolved QM. 3. Correlating numerical simulations with experimental data. The simulations will be performed in an implicit aqueous medium or in the presence of explicit water molecules to model solvation interactions and long-range effects.