NANOPLATEFORMES HYBRIDES MULTIMODALES POUR L’IMAGERIE MÉDICALE

LES DIFFERENTES NANOPARTICULES

Définition des nanoparticules En octobre 2011, la commission de l’union européenne a défini un nanomatériau comme « un matériau dont les constituants principaux ont des dimensions comprises entre 1 et 100 nm ».3 Une NP est alors un assemblage d’atomes, formant un objet dont au moins une dimension est comprise entre 1 et 100 nm. La figure I.1 compare les nanostructures avec les objets connus dans la vie quotidienne. Echelle moléculaire Nanostructure Echelle microscopique Echelle macroscopique Molécule d’eau Diamètre de nanotube de carbone Diamètre du virus d’hépatite C Diamètre des globules rouges sanguins Diamètre des Cheveux humains Taille d’insectes volants Taille d’enfant de 4 ans Mètres Figure I.1: Gamme de tailles des nanostructures comparée à celles des principaux objets connus. 

Différents types de nanoparticules

 Il existe une grande variété de NPs allant des particules d’or aux liposomes, en passant par les NPs polymériques. Si le choix du cœur des particules est primordial en ce qui concerne Thèse de doctorat Sèmiyou Ayélé OSSENI la protection et l’éventuel relargage des agents d’intérêt, le contrôle de la surface l’est tout autant. Ce sont en effet ses propriétés de surface qui permettront à la particule de véhiculer les agents thérapeutiques ou de diagnostic vers la zone ciblée. Le cœur de ces NPs est généralement composé d’assemblages organiques ou inorganiques.4 Nous allons décrire ici les NPs les plus courantes. 

 Les liposomes 

Les liposomes ont été utilisés comme vecteurs de médicaments depuis 1965.5 Ce sont des vésicules sphériques de quelques dizaines à quelques milliers de nm de diamètre. Ces vésicules sont composées d’une ou de plusieurs bicouches lipidiques qui permet (tent) de séparer un milieu intravésiculaire d’un milieu extérieur.6 Ces particules sont depuis de nombreuses années utilisées comme outils pour la biologie, la biochimie, la médecine ainsi que par l’industrie des cosmétiques en tant que transporteurs de principes actifs thérapeutiques ou d’agents d’imagerie.7 Leur caractère non toxique et biocompatible fait de ces colloïdes des systèmes intéressants pour les applications in vivo. Cependant, les liposomes présentent également quelques limitations : ils ont effectivement montré une faible capacité d’encapsulation (notamment pour les molécules lipophiles piégées dans la double couche de phospholipides), une stabilité modérée, une production délicate, et un relargage précoce des principes actifs hydrophiles dans le sang.8 Les niosomes sont des ensembles supramoléculaires similaires aux liposomes, à la différence que les molécules constituant la double couche ne sont pas des phospholipides mais des surfactants de synthèse (lipides non ioniques).9 C’est également le cas des polymersomes, pour lesquels des copolymères bloc (comportant une partie hydrophile et une partie hydrophobe) forment la structure emprisonnant le réservoir aqueux.

Les polymères organiques

 Les NPs de polymères, sont synthétisées par des méthodes de polymérisation/polycondensation de polymères biodégradables. Les polymères les plus couramment utilisés sont : le poly(acide lactique) (PLA), poly(acide glycolique) (PGA), poly(lactide-co-glycolide) (PLGA), le chitosane, le poly-epsilon-caprolactone. Ils sont utilisés dans l’industrie alimentaire ou encore dans le domaine de la chirurgie (fils de suture..). Les polymères peuvent être également naturels, à base d’albumine12 ou de gélatine.

Les nanoparticules lipidiques 

Les NPs lipidiques ont une place de choix dans leur utilisation comme nanovecteurs de principes actifs.14 En effet, les lipides rentrent dans la composition de la membrane plasmique. Ils sont également synthétisables par émulsion et peuvent se présenter sous la forme de nanocapusles ou nanosphères.14 Dans les deux cas, ils peuvent présenter un cœur aqueux ou huileux, ce qui leur permet de transporter des principes actifs de propriétés physico-chimiques variées (hydrophiles, hydrophobes ou encore amphiphiles). De la même manière que pour les liposomes, à leur surface, des agents dispersants (de type PEG par exemple) et des ligands (anticorps, peptides, acide folique…) peuvent être greffés pour acquérir respectivement un caractère « furtif » et un ciblage spécifique vers les cellules cibles. 

 Les nano-émulsions 

Les nano-émulsions sont obtenues par dispersion d’un mélange de phases huile/eau. Les gouttelettes de phases dispersées sont transparentes ou translucides et de taille nanométrique (20-200 nm). Elles sont stabilisées par un film à surface active composé de surfactant ou de cosurfactant.15,16,17 Les nano-émulsions sont beaucoup utilisées en formulations pharmaceutiques car elles se forment spontanément (facile à préparer), sont optiquement transparentes, et thermodynamiquement stables. Grâce à leur petite taille, elles permettent d’éviter le crémage ou la sédimentation qui peut avoir lieu lors du stockage ou coalescence des gouttelettes. 

Les micelles

 Les nano-émulsions et les phases micellaires peuvent apparaitre similaires du point de vue composition et taille structurale, mais il convient de noter que les phases micellaires se forment par auto-assemblage thermodynamique alors que les nano-émulsions ne se forment pas spontanément. En effet, dans le cas des nano-émulsions, la formation de gouttelettes nécessite l’application d’un cisaillement externe. La structure des micelles est du type cœur-coquille (« core-shell » en anglais) en milieu aqueux. Les micelles se forment lorsque la concentration en surfactants dans le milieu dépasse une valeur seuil nommée concentration micellaire critique. Les micelles sont donc des systèmes supramoléculaires qui sont en équilibre avec les molécules amphiphiles en solution. Selon le surfactant utilisé, on distingue différents types : micelles à base de phospholipides ou de surfactants pegylés, 

Les quantum dots

 Les « quantum dots » (QDs) sont des nano-cristaux colloïdaux semi-conducteurs de taille allant de 2 à 8 nm.19 Les QDs sont dotés de propriétés électroniques et optiques uniques de part leur taille et leur composition.20 Ils peuvent être : administrés par injection, excitables in vivo à des longueurs d’onde variant avec le milieu chimique local et sont détectables grâce à leur fluorescence par une caméra CCD (charge coupled device) Leur surface peut être modifiée pour améliorer leur solubilité, sensibilité, spécificité et leur visualisation en ciblage tissulaire.18 Ces QDs révèlent néanmoins des inconvénients : leur luminescence est « aléatoire », elle disparaît et réapparaît. On parle de phénomène de scintillement ou « photobleacching » en anglais. De plus, la durée de vie de luminescence est faible de l’ordre de 20 ns, ce qui n’est pas adapté pour des observations de longue durée. Les études préliminaires révèlent qu’ils sont toxiques à cause de la présence d’éléments toxiques qui rentrent dans leur composition (Cd, …).23 Enfin, les modes d’élimination naturelle de ces composés demeurent méconnus. 

 Les nanoparticules d’or 

L’avancée rapide des nanotechnologies observée durant cette dernière décennie a permis le développement de différents types de NPs d’or fonctionnalisées pour des applications en thérapie photo-thermique, imagerie moléculaire, bio-détection et en thérapie génétique. 24, 25 Les propriétés : optique et photo-thermique de ces NPs dépendent de leur taille en raison de l’oscillation collective des électrons de surface.26 L’intensité d’absorption et de diffusion des NPs d’or est significativement plus élevée que celle de la plupart des colorants absorbants et diffusants organiques27, ce qui les rend excellentes comme candidates d’agent de contraste en imagerie. Les interactions électron-phonon et phonon-phonon dans ces nanoparticules génèrent de la chaleur après une exposition dans le proche infrarouge (NIR : 650- 900 nm)28 . Les nanobilles, nanocapsules et nanobâtonnets d’or 29, 30, 31, synthétisés en utilisant une grande variété de réactifs par des méthodes de synthèse chimiques 32, 33, 34et électrochimiques 35, 36 ; absorbent dans la région NIR . Ces NPs couplées à l’imagerie ont été largement utilisées pour la destruction thermique des tumeurs. 

 Les nanoparticules d’oxyde de fer 

Les NPs d’oxyde de fer superparamagnétiques désignées par le terme SPIO (Super Paramagnetic Iron Oxide) possèdent des propriétés magnétiques uniques qui font d’elles des matériaux avancés candidats pour la biomédecine. Elles peuvent servir d’agents de contraste pour l’IRM, de « points chauds » locaux capables de tuer les cellules malignes et de transporteurs colloïdaux lors de la vectorisation de médicaments ou du diagnostic .La propriété des SPIOs provient du fort moment magnétique qu’ils acquièrent en présence d’un champ magnétique externe. Leur moment magnétique élevé engendre un fort contraste en imagerie IRM. En plus de posséder d’excellentes propriétés magnétiques, les SPIOs sont biocompatibles et biodégradables ; donc non toxiques. Au cours de la dégradation, les ions Fe libres n’augmentent pas sensiblement la teneur en fer contenu dans le corps et s’incorporent naturellement dans l’hémoglobine. Ils sont alors dégradés par des voies normales de recyclage du fer.40 Les SPIOs sont généralement synthétisés par co-précipitation de suspensions alcalines de Fe(OH)2 et Fe(OH)3. La taille des particules peut varier entre quelques nanomètres et plusieurs centaines nanomètres de diamètre.Pour accroitre leur stabilité, leur demi-vie de circulation et leur biocompatibilité, diverses méthodes ont été utilisées pour fonctionnaliser les NPs de SPIO avec un revêtement de polymères inertes, comme le dextran, des polysaccharides,le polyéthylène glycol (PEG) et l’oxyde de polyéthylène (PEO).

 Les nanoplateformes de carbone 

On distingue principalement les fullerènes, les nanotubes de carbone (NTC) et les nanodiamants. Les fullerènes sont une famille de composés du carbone dont l’existence a été prédite en 1970 et officiellement prouvée en 1985.46, 47 La forme la plus connue est le fullerène C60. Les fullerènes peuvent prendre une forme géométrique rappelant celle d’une sphère, d’un ellipsoïde, d’un tube ou d’un anneau. Grâce à leurs caractéristiques physiques, chimiques, propriétés électriques et optiques, les fullerènes et leurs dérivés sont incorporés dans des nouveaux dispositifs ou matériaux. 48, 49 Les fullerènes peuvent jouer le rôle de radio-protecteur. En effet, ils permettent la protection contre les dommages causés par irradiation aux rayons X (7 Gy) in vitro et in vivo chez la souris, en réduisant la formation d’espèces réactives de l’oxygène.50 Des études se poursuivent sur l’augmentation de la solubilité des fullerènes et leur toxicité.51 Les nanotubes de carbone (NTC) sont des feuilles de graphène cylindriques. Les NTC peuvent être utilisés pour l’ablation des cellules cancéreuses par hyperthermie en raison de leur forte absorption optique dans la région du NIR, ainsi que pour la vectorisation de médicaments vers les cellules cancéreuses en raison de leur grande surface spécifique. On distingue : les NTC mono paroi désignés par le terme SWCNT (Single Wall Carbone Nano Tube) dont le diamètre est compris entre 1 et 3 nm et la longueur comprise entre 5 et 30 nm, des NTC multi parois désignés par le terme MWCNT (Multi Wall Carbone Nano Tube) de diamètre compris entre 10 et 150 nm et de longueur allant de 200 nm à quelques micromètres.52 Les Nanodiamants (ND) sont des agents très intéressants pour des applications en biologie et en médecine en raison de leur plus grande biocompatibilité par rapport à d’autres nanomatériaux de carbone, leur photo-stabilité, la facilité de purification, la disponibilité commerciale et de leur faible cytotoxicité.53 Ils peuvent être fonctionnalisés et conjugués à une grande variété de molécules pour le marquage cellulaire et la vectorisation de médicaments, ce qui leur confère un potentiel important d’applications thérapeutiques et de diagnostic.

 Les nanoparticules d’oxyde/oxysulfure de lanthanides

 Les NPs à base de lanthanides et plus particulièrement les oxydes et oxysulfures de lanthanides dopés ou non avec des éléments tels que (Eu3+, Tb3+, Yb3+, Er3+, Tm3+, …) ont connu un essor remarquable dans leur développement au cours de cette dernière décennie. Les NPs de Gd2O3 dopées ou non sont généralement synthétisées par co-précipitation,55, 56 spray pyrolyse,57 et par réaction en phase solide 58 avec des tailles comprises entre 2 et 500 nm selon la méthode utilisée. La surface de ces NPs peut être facilement modifiée par greffage de molécules biologiques pour des applications en bio-détection.56, 57 Les NPs de Gd2O3 trouvent également un grand intérêt pour l’IRM grâce au pouvoir contrastant du gadolinium. Huang et al.59ont synthétisé par voie sol-gel des NPs creuses, poreuses, superparamagnétiques et paramagnétiques de Gd2O3 de taille inférieure à 200 nm. Lorsque la surface des NPs creuses de Gd2O3 est recouverte par un film de carbone, ces NPs qui avaient des propriétés paramagnétiques deviennent superparamagnétiques. Un fort pouvoir contrastant a été aussi observé lors des essais effectués in vivo en IRM. Une bonne biocompatibilité et viabilité cellulaire de ces NPs ont été également prouvées. Récemment, Park et al. 60 ont rapporté que les NPs de Gd2O3 et Gd(OH)3 peuvent être utilisées comme agent de contraste positif en IRM en raison de la forte contribution du Gd3+ à la valeur de relaxivité longitudinale mesurée. Il a été également démontré que les NPs de Gd2O3 de tailles inférieures à 100 nm et revêtues d’une couronne de SiO2 sont actives en IRM. Une bonne viabilité avec des cellules normales ainsi qu’une accumulation sélective dans les cellules tumorales ont été prouvées. Ces nanoparticules multifonctionnelles sont également utilisables pour la thérapie par capture de neutrons : la curie thérapie.61 Lechevallier et al. 62 ont aussi montré la possibilité d’utiliser les NPs de Gd2O3: Eu3+, et Gd(OH)CO3.H2O: Eu3+ (160 nm de diamètre) comme bio-marqueurs. Ces NPs synthétisées par coprécipitation, sont facilement internalisées dans des cellules cancéreuses (cellules Hela) et sont fortement luminescentes en microscopie confocale. Das et al.63 ont synthétisé des nanocristaux de Dy2O3 :Tb3+ ayant 3 nm de diamètre pour être utilisés comme nanocristaux bimodaux pour l’IRM et l’imagerie optique. Il a été montré que ces nanocristaux sont d’excellents agents de contraste T2 à 7T pour l’IRM aussi bien dans un fantôme (mélange eau-gel d’agarose à 1%mass en gel d’agarose) que pour la visualisation de cellules tumorales de la souris. Ces nanocristaux sont également non cytotoxiques jusqu’à 1 mg/mL et fluorescent bien en microscopie confocale à fluorescence. Les NPs d’oxysulfure de lanthanides ont aussi fait l’objet de plusieurs études. En effet, Tian et al.64 ont montré que les NPs de Gd2O2S :Tb3+agglomérées et non sphériques synthétisées par précipitation suivie d’une sulfuration sont utilisables comme luminophores, aussi bien sous excitation UV-visible qu’en excitation par rayons X. Ces résultats ont été confortés par les travaux de Xing et al.65 qui ont également synthétisé des NPs de Gd2O2S :Tb3+, sphériques et de diamètre ≈120 nm par précipitation suivie d’une sulfuration. Ces NPs sont d’excellents luminophores aussi bien sous excitation UV-visible qu’en excitation par rayons X. D’autres parts, ces mêmes auteurs ont montré que les NPs de Y2O2S:Yb, Ho, synthétisées par la méthode précitée, sont utilisables en « up-conversion ». En effet, elles émettent de la lumière verte sous excitation laser (980 nm) et l’intensité d’émission est significativement supérieure à celle de NaYF4:Yb, Er habituellement utilisé en « up-conversion ». Ce qui offre la possibilité d’utiliser ces NPs comme marqueurs biologiques excitables dans l’IR.66 Très récemment, Abliz et al.67 ont montré par leurs travaux, la possibilité d’utiliser les microparticules (diamètre ≈ 20 µm) de Gd2O2S :Tb3+ pour le diagnostic en thérapie photodynamique par activation clinique par rayons X. La PDT classique permet d’activer directement l’agent photosensibilisant par la lumière. Mais cette méthode présente des limites du fait de la faible profondeur de pénétration de la lumière (2 à 5 mm) dans les tissus et ne peut s’appliquer qu’aux tumeurs de surface telles que les mélanomes. Une nouvelle méthode non invasive basée sur l’utilisation des rayons X pour activer indirectement un agent photosensibilisant: la Photofrine II, a été proposée. A l’intérieur du corps, le photosensibilisateur (Photofrine) s’accumule préférentiellement dans la tumeur. Sous excitation par RX, les particules de Gd2O2S :Tb3+ émettent de la lumière dans le visible, laquelle lumière permet d’activer le photosensibilisateur. Lors de cette activation par absorption de photons émis par Gd2O2S :Tb3+, il y a génération d’oxygène singulet 1O2 cytotoxique dans la tumeur. Les résultats montrent une réduction dramatique (≈90%) de la viabilité des cellules du glioblastome humain lorsqu’elles sont traitées avec les particules et la Photofrine II.