Applications des nanoclusters de métaux nobles pour lediagnostic et la thérapie ciblée du cancer - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2019

Applications of Noble Metal Nanoclusters for Diagnostic andTargeting Cancer Therapy

Applications des nanoclusters de métaux nobles pour lediagnostic et la thérapie ciblée du cancer

Résumé

Gold nanoparticles (Au NPs) have shown promising results in nanomedicine applied to oncology. They are capable of accumulating in tumor areas, inducing a therapeutic effect by delivering drugs or a photo-/radiotherapeutic effect thanks to their energy absorption properties. They also allow diagnosis by different imaging techniques. This dual activity defines them as theranostic agents. Gold nanoclusters (Au NCs) define an interesting sub-family of Au NPs. They are composed of about ten to hundred gold atoms stabilized by organic molecules. Their size smaller than ~8 nm allows them to be eliminated by the kidneys and to exhibit photoluminescence (PL) properties until infrared wavelengths, which are suitable for in vivo optical imaging. They can also induce cell death under irradiation due to the intrinsic properties of gold. Their optical features, pharmaco-kinetic and tumor accumulation are highly sensitive to size and surface chemistry modification. Currently, preclinical results are not sufficient for clinical transfer and it is necessary to improve the characterization of Au NCs and to study their behaviour in vitro and in vivo.In this context, my thesis project focused on the functionalization of Au NCs in order to improve their accumulation in tumors. The first strategy is based on the self-aggregation of Au NCs in the tumor microenvironment. For this purpose, the surface of the Au NCs was either functionalized with i) molecules promoting bioorthogonal click chemistry reactions, or ii) complementary oligonucleotides that can hybridize. The self-aggregation of Au NCs in solution confirmed the increase in PL by inter-particle energy transfer. The self-agregation of Au NCs could potentially improve the therapeutic effect, but the Au NCs still need to be characterized in vivo. The second strategy consisted in increasing the affinity of Au NCs for cells by adding controlled amounts of arginine on their surface. Indeed, arginine is known to promote electrostatic interaction with plasma membranes and cellular internalization. We have determined the maximum arginine threshold per Au NCs, allowing to increase the PL while keeping their small size with high colloidal stability. The best candidates have a high capacity for electrostatic interaction with artificial membranes even in the presence of serum, suggesting that the opsonization of Au NCs is low. Their interaction (< 5min) and internalization (<30 min) capacities are rapid, and have been confirmed on human melanoma cells in vitro, without significant toxicity. However, according to a study on irradiated spheroids performed in our team, the addition of arginines would have a "trapping" effect on the production of reactive oxygen species, reducing the radiosensitizing power of Au NCs. The presence of positive charges on Au NCs containing arginines and their internalization capacity also can serve in vitro to deliver anionic polymers and biomolecules such as siRNA. However, these Au NCs administered intravenously to tumor-bearing mice are eliminated extremely rapidly by the kidneys, thus reducing their ability to accumulate in tumors. This work showed that the functionalization of Au NCs strongly influences their optical and physicochemical properties, their interactions with cells and their theranostic effects. It would be interesting to apply these strategies to Au NCs circulating longer in the blood to demonstrate the effect of these functionalizations on tumor diagnostics and therapy
Les nanoparticules d’or (Au NPs) ont montré des résultats prometteurs en nanomédecine appliquée à la cancérologie. Elles sont capables de s’accumuler dans les zones tumorales, d’induire un effet thérapeutique en délivrant des principes actifs ou un effet photo/radiothérapeutique grâce à leurs propriétés d’absorption d’énergie. Elles permettent aussi le diagnostic par différentes techniques d’imagerie. Cette double activité les définit comme des agents théranostics. Les nanoclusters d’or (Au NCs) forment une sous-famille intéressante de Au NPs. Ils sont composés d’une dizaine à une centaine d’atomes d’or stabilisés par des molécules organiques. Leur taille inférieure à ~8 nm leur permet d’être éliminé par les reins et d’avoir des propriétés de photoluminescence (PL) jusque dans l’infrarouge, une fenêtre spectrale adaptée à l’imagerie optique in vivo. Ils peuvent aussi induire la mort cellulaire sous irradiation en raison des propriétés intrinsèques de l’or. Leurs propriétés optiques, de circulation sanguine et d’accumulation tumorale sont sensibles à de faibles modifications de la taille des Au NCs et de leur chimie de surface. Actuellement, les résultats précliniques sont encore insuffisants pour espérer un transfert en clinique et il est nécessaire d’améliorer la caractérisation des Au NCs et d’étudier leur comportement in vitro et in vivo.Dans ce contexte, mon projet de thèse a consisté à fonctionnaliser ces Au NCs pour améliorer leur accumulation tumorale. La première stratégie repose sur l’auto-agrégation des Au NCs dans le microenvironnement tumoral. Pour cela la surface des Au NCs a été soit i) fonctionnalisée avec des molécules chimiques favorisant des réactions de chimie click bioorthogonale, soit ii) fonctionnalisée avec des monobrins d’oligonucléotides complémentaires pouvant s’hybrider. L’auto-agrégation des Au NCs en solution a confirmée l’augmentation de la PL par transfert d’énergie inter-particules. Cette propriété pourrait éventuellement améliorer l’effet thérapeutique, mais ils doivent encore être caractérisés in vivo. La seconde stratégie a consisté à augmenter l’affinité des Au NCs pour les cellules en ajoutant de l’arginine à la surface des Au NCs de façon contrôlée. En effet, l’arginine est connue pour favoriser l’interaction électrostatique avec les membranes plasmiques et l’internalisation cellulaire. Nous avons déterminé le seuil maximum d’arginine par Au NCs permettant d’augmenter la PL tout en conservant leur petite taille. Les meilleurs candidats ont une forte capacité d’interaction électrostatique avec des membranes artificielles même en présence de sérum, suggérant que l’opsonisation des Au NCs est faible. Leurs capacités d’interaction (< 5min) et d’internalisation (<30 min) sont rapides et ont été confirmées sur des cellules humaines de mélanome in vitro, sans toxicité notable. Cependant d’après une étude sur des sphéroïdes irradiés, l’ajout d’arginines aurait un effet « de pirégeage » sur la production d’espèces réactives oxygénées diminuant le pouvoir radiosensibilisant des Au NCs. La présence de charges positives sur les Au NCs contenant des arginines et leur capacité d’internalisation permettent aussi de les utiliser in vitro pour vectoriser des polymères anioniques tels que des siRNA. En revanche, ces Au NCs administrés par voie intraveineuse chez des souris porteuses de tumeurs sont tous éliminés extrêmement rapidement par voie rénale ce qui ne leur permet pas de s’accumuler suffisamment dans les tumeurs. Ces travaux démontrent donc que la fonctionnalisation des Au NCs influence fortement leurs propriétés optiques et physico-chimiques, leurs interactions avec les cellules et leurs effets théranostics. Il serait intéressant d’appliquer ces stratégies sur des Au NCs circulants plus longtemps dans le sang pour démontrer l’effet de ces fonctionnalisations sur l’accumulation tumorale.
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Dates et versions

tel-03175729 , version 1 (21-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03175729 , version 1

Citer

Estelle Porret. Applications des nanoclusters de métaux nobles pour lediagnostic et la thérapie ciblée du cancer. Médecine humaine et pathologie. Université Grenoble Alpes, 2019. Français. ⟨NNT : 2019GREAV034⟩. ⟨tel-03175729⟩
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