Functionalized Fe-filled Carbon Nanotubes for Cancer Theranostics

Résumé

L’utilisation d’outils nanotechnologiques a émergé ces dernières deux décennies comme une méthode prometteuse de diagnostiquer et de traiter le cancer. Parmi les différents types de nanoparticules étudiées, les nanotubes de carbone (CNTs) et les nanoparticules magnétiques (MNPs) ont montré être des agents théranostiques efficaces. En effet, les propriétés structurales, physiques et chimiques exceptionnelles des CNTs en font un excellent échafaudage pour la livraison de médicament, l’imagerie par fluorescence ou l’hyperthermie induite par de la lumière, etc. De leur côté, les MNPs sont d’excellents matériaux pour des applications complémentaires, telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM). La combinaison de ces deux types de particules donne des hybrides possédant des propriétés venant des deux composants mais également provenant d’une synergie entre MNPs et CNTs. Dans ce contexte, le but de cette thèse est l’évaluation d’hybrides endohédriques entre des MNPs et des CNTs (MNPs@CNTs). Avant de détailler les recherches menées, une introduction générale sur l’état de l’art de la synthèse des hybrides MNPs-CNTs et de leurs applications sera présentée au Chapitre 1.

Le Chapitre 2 décrit la conception de nouveaux CNTs remplis avec du fer (Fe@CNTs) conjugués à différentes unités de ciblage pour la reconnaissance spécifique et l’extraction de cellules par un champ magnétique ainsi que l’induction d’une mortalité cellulaire par un champ magnétique alternatif. Une brève introduction sera donnée sur l’importance des cibles choisies, le récepteur au facteur de croissance EGFR et le récepteur à l’adénosine A3, en thérapie anticancéreuse et les différentes stratégies employées pour les viser. La seconde section de ce chapitre développera les résultats obtenus pendant notre exploration de l’impact de la quantité de Fe et de sa phase dans les Fe@CNTs sur leurs réponses en termes d’extraction de cellules et d’induction de mortalité cellulaire par MFH dans des études in-vitro. Nos résultats expérimentaux révèlent qu’un ratio optimum entre la quantité de fer et la quantité d’anticorps est nécessaire pour obtenir une extraction efficace et que une plus forte mortalité peut être induite par des CNTs enrichis dans la phase la plus coercitive, Fe3C. Ces résultats suggèrent qu’une synergie existe entre la quantité d’anticorps et la distribution du fer pour chaque nanotube, pour laquelle les effets d’hyperthermie et de « pêche » cellulaire sont maximum quand une grande densité de Fe@CNTs possédant la phase la plus coercitive sont interfacés avec des cellules. Sur base de ces résultats, nous nous sommes intéressés à atteindre une nouvelles cible en conjuguant les Fe@CNTs avec un ligand pyrazolo[4,3-e]-1,2,4-triazolo[1,5-c]-pyrimidine (PTP) (13) capable de reconnaître sélectivement les récepteurs à l’adénosine. A travers la production de Fe@CNTs PEGylés, nous avons obtenu deux matériaux différents, Fe@CNTs-TEG-PTP et Fe@CNTs-HEG-PTP qui ont montré une capacité prometteuse à se lier au récepteur à l’adénosine A3, tel qu’analysé par des études de déplacement d’agonistes radioactifs. Ces deux matériaux furent testés également sur des cellules CHO sur-exprimant le récepteur A3 afin d’effectuer une pêche magnétique sélective. Cependant, de hauts niveaux d’interactions électrostatiques non-spécifiques entre les nanotubes chargés positivement et la membrane cellulaire chargée négativement furent observés, empêchant toute reconnaissance spécifique de cellules sur-exprimant le récepteur A3 par rapport à des cellules contrôles.

Le Chapitre 3 fait le lien entre les études in-vitro du Chapitre 2 et leur utilisation pour des applications théranostiques in-vivo décrites dans le Chapitre 4. En particulier, nous voulons solubiliser des Fe@CNTs et des CNTs normaux par l’exploitation de l’effet d’échafaudage offert par les CNTs pour les enrouler de polymères dynamiques. Après une introduction sur les différents systèmes supramoléculaires employés pour solubiliser les CNTs, la deuxième section décrit la synthèse et l’auto-assemblage de polymères supramoléculaires formés par des ponts hydrogènes entre des monomères uracil 57 et di(acetylamino)pyridine (DAP) 58. Ce polymère supramoléculaire permit la solubilisation efficace de différents CNTs, y compris dans l’eau. Une fois le concept démontré, de nouveaux monomères fonctionnalisés ont été développés, permettant l’ajout de nouvelles fonctions sur les nanotubes par l’intermédiaire du polymère. Par exemple, nous avons réussi à ajouter des particules d’Au sur des CNTs entourés par un polymère contenant des fonctions thioacetates. En perspective, un nouveau type de polymère dynamique a été exploré basé sur la liaison dynamique covalente acylhydrazone. Ce type de lien a été utilisé dans la littérature pour former des polymères dans l’eau qui peuvent être réversibles ou non selon le pH. La synthèse de nouveaux monomères aldéhydiques ou acylhydrazine a été menée à bien et a fourni les buildings blocks complémentaires voulus. Ce nouveau type de polymère est actuellement en cours d’essai pour effectuer la solubilisation de CNTs.

Enfin, le Chapitre 4 décrit l’évaluation du potentiel de Fe@CNTs pour des applications théranostiques anticancéreuses in-vivo. Premièrement, une introduction décrit différentes applications des CNTs pour de l’imagerie médicale et en thérapie anticancéreuse. La section suivante décrit l’évaluation de deux modalités d’imagerie basées sur des Fe@CNTs: premièrement, nous avons envisagé la possibilité de suivre des CNTs administrés in-vivo par leur conjugaison à un marqueur fluorescent, le vert d’indocyanine (ICG). Ce matériau a été testé avec un appareil dédié à l’imagerie par fluorescence in-vivo. Cependant, la présence de fortes interactions π-π entre les nanotubes et les molécules d’ICG a mené à un quenching de la fluorescence dû à des transferts d’énergie entre l’ICG et la surface des CNTs qui empêchent toute détection des nanotubes marqués. Les propriétés magnétiques intrinsèques des Fe@CNTs ont cependant permis d’exploiter ces derniers en tant qu’agents de contraste par IRM. Cette propriété a été ensuite utilisée dans des études in-vivo employant des Fe@CNTs-Ab, entourés par notre polymère supramoléculaire qui leur confère une stabilité améliorée dans l’eau. Spécifiquement, des Fe@CNTs-Ab ont été administrés à des souris portant des tumeurs de cellules A431 (EGFR+) et suivies par IRM. Cette technique nous a permis d’observer l’apparition de Fe@CNTs dans les tissus tumoraux mais aussi et surtout dans le foie et la rate. Dans le but d’obtenir une quantification de la biodistribution dans les différents organes, une nouvelle méthode a été développée basée sur la résistance de nos Fe@CNTs à des traitements alcalins, dissolvant les tissus vivants mais pas les Fe@CNTs, et sur la possibilité d’extraire les Fe@CNTs des homogénats d’organe. Après cette extraction, l’importante absorption des Fe@CNTs dans l’IR proche a été utilisée pour les quantifier. L’application de cette méthode sur des souris auxquelles ont été administré des Fe@CNTs nous a permis d’obtenir un profil de biodistribution précis, montrant une accumulation préférentielle dans les poumons, le foie et la rate.

la date de réponse	8 avr. 2016
langue originale	Anglais
L'institution diplômante	Universite de Namur
Sponsors	Fund for Research Training in Industry and Agriculture (FRIA)
Superviseur	Davide BONIFAZI (Promoteur), Carine MICHIELS (Président), Stephane Vincent (Jury), Tatiana Da Ros (Jury) & Jean Marie Raquez (Jury)