thesis

Development of multimodal nanoplatforms to improve the performances of radiotherapy and evaluation of the impact of nanoparticles on proteins

Defense date:

June 19, 2020

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Institution:

université Paris-Saclay

Disciplines:

Chemistry

Authors:

Directors:

Abstract EN:

Radiotherapy is used for 50% of the cancer treatments. However, its implementation is limited by the tolerance of healthy tissues. New strategies combining nanomedicine and cancer radiation therapy have been proposed a decade ago to improve the performances of the treatments. Hence, a growing interest appeared for high-Z metal-based nanoparticles (NPs) as potential radio-enhancers, to amplify the effects of radiations.In the first part of my work, an efficient and unique radiolysis method was optimized to produce in one step, small, PEGOH-coated platinum NPs dispersed in a sterile solution, with 100% production rate. These NPs are good radio-enhancers, they amplify the radiation effects of γ-rays and particularly particle beams. However, further surface functionalization of these NPs coated with PEGOH is challenging. In a second step, the same radiolysis method was used to produce other platinum-based NPs coated with PEG diamine. This coating allows grafting of various molecules such as fluorescent markers, drugs or radionuclides. These particles aggregate with a shape of nanoflowers. They can be lyophilized, which ensures long and easy storage, and facile reconstitute with different biological buffers. After physico-chemical characterization, their efficiency as radio-enhancers has been evaluated in vitro. Molecular scale experiments using plasmids as molecular bioprobes showed that these NPs amplify the induction of complex biodamage. We ascribed the amplification of the damage to the activating radiation induced physico-chemical processes.Moreover, blood compatibility of NPs when administered intravenously, is also crucial for their use in nanomedicine. The interaction of NPs with proteins especially, can cause potential harmful effects. Hence, the characterization of the impact of NPs on blood proteins, is a first step in the prevention of adverse effects. The second part of my work was dedicated to the development of a new multiparametric method to characterize the structural and stability changes of human serum albumin upon interaction with nanoagents. It was found that gadolinium-based NPs (AGuIX) and platinum-based NPs do not bind to proteins. Interestingly, they stabilize the protein structure due to preferential hydration mechanism. Finally, the use of NPs as multimodal contrasts agents to probe in vivo biodistribution and pharmacokinetic, was explored in the third part of my thesis. Platinum NPs were found to be not only efficient radio-enhancers but, thanks to their high x-ray attenuation coefficient, also potential contrast agent for computed tomography (CT) imaging. More interestingly, the amine-terminated NPs developed in my work were successfully functionalized with radionuclides. This opened an opportunity to observe them by positron emission tomography (PET) imaging, The preliminary biodistribution experiments performed with CT and PET techniques showed hepatic clearance and accumulation of the NPs in the tumor after several days.In conclusion, the major outputs of my work include the optimization of a rapid and efficient method to easily and rapidly produce sterile solutions of multimodal platinum-based radio-enhancers which can be detected by CT, PET and fluorescence imaging. Moreover, it includes the development of a new way to evaluate the impact of NPs on blood proteins prior to in vivo tests. These two achievements will hopefully contribute to boost the strategy of combining nanomedicine and radiation therapies.

Abstract FR:

La radiothérapie est utilisée pour 50% des traitements contre le cancer. Cependant, sa mise en œuvre est limitée par la tolérance des tissus sains. De nouvelles stratégies associant nanomédecine et radiothérapie anticancéreuse ont été proposées il y a une dizaine d'années pour améliorer les performances des traitements. Un intérêt croissant est apparu pour les nanoparticules (NP) de Z élevé faites de métal en tant que radio-amplificateurs potentiels, pour augmenter les effets des radiations,Dans la première partie de mon travail, une méthode de radiolyse efficace et unique a été optimisée pour produire en une seule étape, de petites NPs de platine PEGylées dispersées dans une solution stérile, avec un rendement de production de 100%. Ces NP amplifient les effets des rayonnements comme les rayons γ et en particulier les faisceaux de particules. Cependant, la fonctionnalisation de surface de ces NP revêtues de PEGOH est difficile. Dans une deuxième étape, la même méthode de radiolyse a été utilisée pour produire d'autres NP à base de platine enrobées de PEG diamine. Ce revêtement permet de greffer diverses molécules telles que des marqueurs fluorescents, des médicaments ou des radionucléides. Ces particules PEGylées s'agrègent pour donner une forme de nanofleur. Elles peuvent être lyophilisées, ce qui garantit un stockage long et facile. Après caractérisation physico-chimique, leur efficacité en tant que radio-amplificateur a été évaluée in vitro. Des expériences à l'échelle moléculaire utilisant des plasmides comme biosondes moléculaires ont montré que ces NP amplifient l'induction de biodommages complexes. Nous avons attribué l'amplification de ces dommages aux processus physico-chimiques.En outre, la compatibilité sanguine des NP administrés par voie intraveineuse est également cruciale pour leur utilisation en nanomédecine. L'interaction avec les protéines en particulier peut provoquer des effets nocifs potentiels. Par conséquent, la caractérisation de l'impact des NP sur les protéines sanguines est une première étape dans la prévention de la toxicité et des effets indésirables. La deuxième partie de mon travail était consacrée au développement d'une nouvelle méthode multiparamétrique pour caractériser les changements structurels et de stabilité de l'albumine sérique humaine lors de l'interaction avec des nanoagents. Il a ainsi été constaté que les NP à base de gadolinium (AGuIX®) et les NP à base de platine ne se lient pas aux protéines. Fait intéressant, ils stabilisent la structure des protéines en raison d'un mécanisme d’hydratation.Enfin, l'utilisation des NP comme agents de contrastes multimodaux pour sonder la biodistribution in vivo et la pharmacocinétique a été explorée dans la troisième partie de ma thèse. Les NP de platine se sont révélées non seulement des radio-amplificateurs efficaces mais, grâce à leur coefficient d'atténuation des rayons X élevé, également un agent de contraste potentiel pour l'imagerie par tomodensitométrie (TDM). Plus intéressant encore, les NP à terminaison amine développées dans mon travail ont été fonctionnalisées avec succès avec des radionucléides. Cela a ouvert l'opportunité de les observer par imagerie par tomographie par émission de positons (TEP). Les expériences préliminaires de biodistribution ont montré une clairance hépatique et une accumulation des NP dans la tumeur persistant après plusieurs jours.En conclusion, les principaux résultats de mon travail comprennent l'optimisation d'une méthode rapide et efficace pour produire facilement et rapidement des solutions stériles de radio-amplificateurs multimodaux à base de platine qui peuvent également être détecté par TDM, TEP et fluorescence. De plus, il comprend le développement d'une nouvelle façon d'évaluer l'impact des NP sur les protéines sanguines avant les tests in vivo. Ces deux réalisations devraient contribuer à renforcer la stratégie combinant nanomédecine et radiothérapies.