Projet ANR-14-CE08-0013 – LightLab : Développement de polymersomes avec possibilité de suivi par imagerie et activation à distance pour la libération de composés d’intérêt thérapeutique dans des tissus profonds
Programme : Apport des nanosciences et nanotechnologies aux matériaux fonctionnels et biotechnologies (DS0305)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Peter Dalko (Laboratoire de Chimie et Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public; Unité de Technologies Chimiques et Biologiques pour la Santé
Montant : 551186.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : LightLabDéveloppement de polymersomes avec possibilité de suivi par imagerie et activation à distance pour la libération de composés d’intérêt thérapeutique dans des tissus profonds
1Le projet vise la conception, synthèse et évaluation de polymersomes répondant à un stimulus extérieur, tel qu’une consigne redox, pouvant être utilisés dans des applications biomédicales. Selon l’hypothèse de travail, les linkers redox, qui relient les diblocks amphiphiles, se fragmentent à l’effet d’une réduction monoélectronique, conditions redox généré par des rayons X ou gamma à partir de l’eau, ou bien en présence de métaux de haut rang atomiques, selon le modèle d’Auger. Le succès du projet est conditionné à la mise au point des sondes redox efficace, hydrolytiquement stables permettant une fragmentation rapide, et également à une méthode de préparation des polymersomes biocompatibles, avec ou sans sensitizers métalliques incorporés. Les nanoparticles métalliques peuvent avoir un rôle double : ils permettent une génération d’électron efficace, et peuvent permettent éventuellement imager le nanomatériau dans des conditions in vivo. Deux plateformes de NP sont considérées dans ce projet ; les NPs d’oxydes de fer et le NP d’or, qui font partie des rares NPs non toxiques, biocompatibles dont l’utilisation est autorisée en thérapie humain. Le projet vise à tester des méthodes d’activations (radiolyse) « non-conventionnelles » aussi, impliquant des lasers X, fs pulsés. Ces méthodes peuvent apporter non seulement une résolution spatial (d’activation) bien plus élevé que l’irradiation conventionnelle et une efficacité de fragmentation accru, mais peuvent ouvrir la route vers de nouveaux types d’activations tels que l’activation holographique 3D.
2Le projet est basé sur un réseau interdisciplinaire plus large comprenant des chimistes organiques, des chimistes de polymères et de matériaux, des biologistes moléculaires, des radiologues, experts en physique et aussi des experts médicaux. L'objectif global du projet est de fournir le «proof of principle« de la fragmentation des nanocarriers par une rayonnement X et si possible fournir la base de préparation des nanomateriaux pour une développement future en thérapie humaine. Le programme est structuré autour de cinq parties interdisciplinaires tels que 1) La conception, la synthèse et la caractérisation de sondes redox; 2) La préparation de polymersomes sensibles à une activation redox 3 ) radiolyse en utilisant des sources conventionnelles et non conventionnelles, permettant éventuellement une activation holographiques en 3D; 4 ) multimodal in vitro et in vivo imagerie pour le suivie de la biodistribution des NPs; Ce facette peut être éventuellement développer pour permettre évaluer l'efficacité de la fragmentation dans des conditions in vivo ; 5 ) Préparation de polymersomes fonctionnalisés pour un ciblage sélectif.
Résumé de la soumission : Les applications médicales des nano-technologies  sont en évolution  croissante, avec un impact significatif en diagnostique et thérapeutique. La vectorisation des drogues par des nanoparticules (NP) présente trois avantages potentiels ; une demie-vie de circulation prolongée, réduction d'une absorption / retention non spécifique, et une accumulation accrue dans des tissus / organes spécifiques grâce à une perméation et rétention améliorées. Parmi les différentes approches basées sur des NP, la distribution d’un produit actif par un déclenchement externe ainsi que par stimulation chimique ou biochimique intrinsèque sont d’un intérêt particulier. Les nanosystèmes permettant une libération « à la demande » reposent sur l’emploi de matériaux sensibles aux stimulations  déclenchées par des variations de pH, température, champ magnétique, ou irradiation lumineuse. Certaines de ces méthodes peuvent être appliquées avec un bon contrôle spatio-temporel, permettant d’atteindre des concentrations locales de drogue assez élevées. Malgré ses promesses et avantages (réduction de toxicité et de résistance aux drogues), ce domaine est encore à ses débuts ; l’activation à distance avec une libération locale des drogues reste un défit majeur.Ce projet décrit la partie chimique d’un programme visant la conception, synthèse et étude de polymèresomes contrôlables à distance pour des applications biomédicales, et souhaite finaliser le développement d’une nouvelle classe d’outils applicables en thérapie, suffisamment en profondeur dans le corps. Les polymèresomes ont montré leur utilité pour l’administration d’agents thérapeutiques dans des tissus/organes spécifiques, avec des applications thérapeutiques et théranostiques potentielles, où la libération peut être combinée avec  des capacités de diagnostiques. Les polymèresomes sont robustes (souvent trop stables) pour une libération (passive) efficace du médicament. Notre proposition suggère une méthode d’activation locale guidée par l’imagerie. L’utilisation d’une sélection à deux critères, comme  l’absorption biologique et  l’activation site-dépendante permettrait une réduction considérable des effets indésirables de plusieurs chimiothérapies. Cette nouvelle méthodologie d’activation repose sur  une réaction de fragmentation récemment développée, qui est basée  sur un transfert d’électrons déclenché par des rayons X pénétrants, ou par de la lumière gamma. Cette méthode que nous avons brevetée, requière encore des optimisations qui sont activement examinées  en vue d’applications biomédicales. La méthode permet une libération commandée par rayons X de composés  ayant un intérêt thérapeutique dans des compartiments inaccessibles autrement dans l’organisme, tout en permettant de suivre la distribution et la libération en temps réel par différents modes de bioimagerie, imagerie  potentiellement multi-modale. Nous proposons d’examiner différents systèmes redox comme éléments de fragmentation avec des NPs d'oxyde de fer (SPIONs) comme sensibilisateurs. SPIONs font partie des rares NP non toxiques, biocompatibles, autorisées en thérapeutique, qui de sur-croit sont imageables. Par conséquent, nous estimons que le système proposé a du potentiel en théranostique.Bien que cette proposition se limite à montrer la preuve du concept, parmi les domaines d’applications biomédicales on peut prévoir le traitement de l’inflammation, l’abus de drogues, où la libération intracellulaire de la drogue est nécessaire, ainsi que dans la thérapie du cancer minimisant, les effets secondaires de la chimiothérapie : la majeure partie de l’instrumentation requise dans ce domaine est déjà établie. Outre les applications biomédicales, cette méthode peut trouver des applications dans la micro-fabrication, où des manipulations de haute résolution spatiale (en 3 D) sont requises dans des endroits inaccessibles.
Résultats : Des esters de N-méthyle picolinium, quinaldinium et méthylacridinium ont été préparés et évalués dans des conditions redox photoinduits. Ces sondes ont été incorporés dans des diblocs (polymères), préparés à partir de polyéthylène glycol (PEG) comme partie hydrophile et le poly(benzyl-L-glutamate) (PBLG) ou le poly (carbonate de triméthylène) (CTMP) comme la partie hydrophobe. Jusqu'à présent 12 blocs copolymères stables de PEG-picolinium-PBLG / PTMC ayant de différentes PBLG ou PTMC chaînes ont été préparés et testés. A partir de ces copolymers la fabrication de polimersomes a été entamés, conduisant à des nanoparticules stables. A partir de ces 12 copolymères, 5 ont formées de nanoparticules homogènes avec une faible polydispersité, dont 4 ayant de structure micellaire et 1 de type vésiculaire, mis en évidence par des études de TEM et aussi par des mesures de SLS / DLS. 
La radiolyse de ces copolymers a été étudié utilisant une source de Cs-137 (BioBeam 8000) dans une solution aqueuse, et irradiés dans une fenêtre de 0,5 à 250 Gy. La fragmentation des sondes redox (monomères) a été suivie par HPLC et par RMN 1H, tandis que la fragmentation des polymères a été évalué par CPG / RMN 1H.
L'incorporation des particules d’oxyde de fer a été testée sur plusieurs copolymères, en particulier sur le PBLG17-picoline-PEG44 qui a abouti à des objets de diamètre hydrodynamique de 133 nm et ont été utilisés pour les études de relaxivité IRM. En outre, PBLG21-picolinium-PEG43 a abouti à la formation des objets de 144 nm de diamètre hydrodynamique qui sont susceptibles d’être des polymersomes.
Perspectives : Le projet décrit la partie chimique d'un programme plus vaste lancé pour le dessin et le développement de nanomateriaux contrôlables à distance , et suggère la preuve de principe pour l'image guidée dans la délivrance de médicaments, à partir des polymersomes redox, dans des conditions in vivo . La proposition est fondée sur un concept original : à la génération des électrons locale par une interaction d'un rayon X- , ou gamma par une  nanoparticules dérivé d'un métal lourde, ce qui permet à la fois une génération d'électrons efficace et permettra une imagerie (IRM) en temps réel .
Publications et brevets : Nous considérons ce projet comme ayant un potentiel commercial. Les résultats seront brevetés avant publications / communications . Brevetage semble possible après avoir montré la preuve de principle in vivo : nous travaillons dur pour répondre à ce défi.