Nanoparticules tolérogènes pour l’administration d’un auto-antigène des cellules bêta dans le diabète auto-immun
Institution:
Sorbonne Paris CitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Chronic autoimmune diseases are the consequence of self-antigens recognition as foreign by the adaptive immune system, resulting in inflammation and potential destruction of targeted tissues and organs. Type 1 diabetes (T1D) is one of the most common chronic autoimmune diseases. It is characterized by insulin deficiency due to selective destruction of insulin-producing beta-cells. At clinical onset, more than 70% of beta-cell mass can be destroyed. Consequently, early diagnosis is a major objective in order to avoid, limit or reverse autoimmune aggression, and to create opportunities for strategies enhancing beta-cell survival or regeneration. Antigen (Ag)-specific approaches are appealing because their effects are expected to be limited to cells expressing the chosen antigen, ideally the target organ. However, while treatment with beta -cell Ags can prevent disease in the model of the Non-Obese Diabetic (NOD) mouse, clinical trials in humans have produced disappointing results. Consequently, combinatorial approaches may be required for reversal and prevention of T1D. A potential strategy is to associate self-antigens with signals inducing a tolerogenic phenotype. Co-delivery ensures that both compounds get delivered at the same time and presented in the same cellular environment to auto-reactive immune cells. The first part of this work consisted in undertaking a thorough physicochemical characterization of a new drug vector, aiming to establish quantitative methods to optimize drug loading while maintaining biocompatibility and stability of the delivery vehicle. In this work, 9nm Ultra-small superparamagnetic iron-oxide (USPIO) nanoparticles were surface functionalized with phosphonate polyethylene glycol molecules (USPIO-PEG). Carboxylic acid functions were used to covalently bind a T1D autoantigen. PEG brush allows for the co-packaging of hydrophobic tolerogenic drug molecules, trapped between PEG chains through hydrophobic interactions. We carefully characterized protein and tolerogenic drug loading, and studied cell labeling, toxicity, integrity of loaded protein and tolerogenic drug, and activity of our nanoplatform on murine Bone Marrow Derived Dendritic Cells (BMDCs). We undertook biodistribution and pharmacokinetics studies using the NOD model that shares numerous features with human T1D. Biokinetic studies were performed both qualitatively using MRI 7T and histological Perls staining analyses and quantitatively using magnetometry for NP quantification. USPIO accumulate preferentially in NOD mice pancreas via Enhanced Permeability retention (EPR) effect thus, allowing us to distinguish pre-diabetic mice from non-diabetic controls. This result suggests that vascular leakage could be exploited for NP bioaccumulation, for therapeutic agent delivery and for imaging using MRI agents to monitor treatment. The second part of the work consisted in evaluating the therapeutic effect of such tolerogenic nanoparticles (NPS) on NOD diabetic mice. Diabetic mice were injected intravenously at diabetes onset. USPIO-PEG and vehicle treated mice reached 600mg/dL blood glucose level, considered limit for sacrificing mice, within a couple of days. NPs carrying either the tolerogenic drug or the autoantigen delayed diabetes progression up to 40 days. Complete NPs showed synergistic effects. In fact, 50% of treated mice were still alive 65 days after disease onset, and two mice reverted to stable normoglycemia for more than 300 days. To identify the underlying mechanism, the immune response to NPs in lymphoid organs was investigated. It was found that tolerogenic NPs induce splenomegaly mainly due to B cell proliferation. NP-stimulated B cells secrete anti-inflammatory cytokines namely IL-10 and TGF-beta. Similar B cells could be produced in vitro upon incubation of with NPs. Our strategy has promising therapeutic potential and could be applied, using relevant antigens, to a wider range of autoimmune diseases.
Abstract FR:
Les maladies auto-immunes chroniques sont la conséquence de la reconnaissance par le système immunitaire d'auto-antigènes comme élément étranger, entraînant une destruction des tissus et organes cibles. Le diabète de type 1 (DT1), la maladie auto-immunes chronique la plus courante, est caractérisé par un insuffisance en insuline due à la destruction sélective des cellules bêta productrices d'insuline. Lors de l'apparition des signes cliniques, plus de 70% de la masse des cellules bêta peut être détruite. Par conséquent, le diagnostic précoce est un objectif majeur afin de limiter l'agression auto-immune, et de créer une fenêtre thérapeutique pour améliorer la survie ou la régénération des cellules bêta. Les approches spécifiques d'antigène (Ag) sont attrayantes du fait de la spécificité de leur mécanisme limité à l'organe cible. Cependant, bien que la prévention du développement du diabète via l'utilisation d'autoantigènes chez la souris non obèse diabétique (NOD) ait été étudiée, les essais cliniques chez l'homme ont produit des résultats décevants. Par conséquent, des approches combinant deux stratégies thérapeutiques pourraient être envisagées. Une stratégie potentielle consiste à co-administrer des auto-antigènes à un traitement antiinflammatoire afin que les deux traitements soient présentés au même moment dans l'environnement des cellules immunitaires auto-réactives. La première partie de ce travail consiste à caractériser physico-chimiquement le vecteur transportant les deux traitements afin d'optimiser la charge médicamenteuse tout en maintenant la biocompatibilité et la stabilité du véhicule de délivrance. Ainsi, des nanoparticules (NPs) d'oxydes de fer superparamagnétiques (USPIO) ont été fonctionnalisées en surface avec des polymères de phosphonate polyéthylène glycol (USPIO-PEG). Les fonctions acide carboxylique ont été utilisées pour lier par covalence un autoantigène DT1. Une molécule antiinflammatoire est piégée par interactions hydrophobes dans les chaines de polymères. Après avoir mis en évidence l'internalisation cellulaire et la non toxicité sur des cellules dendritiques dérivées de la moelle osseuse murine (BMDCs), nous avons entrepris des études de biodistribution et de pharmacocinétique en utilisant le modèle NOD qui partage de nombreuses caractéristiques avec la pathologie humaine. Différentes techniques ont été utilisées à savoir l'IRM, l'histologie et de la magnétométrie sur organe isolé. Les NPs s'accumulent préférentiellement dans le pancréas des souris NOD via un effet de perméabilité et de rétention accrue (EPR effect). Cette bioaccumulation pourrait être exploitée pour la délivrance ciblée du traitement. La deuxième partie du travail consiste à évaluer l'effet thérapeutique de telles nanoparticules tolérogènes sur des souris diabétiques NOD. Des souris diabétiques ont été injectées par voie intraveineuse. Les souris contrôles traitées avec des nanoparticules « nues » ont atteint un niveau de glucose sanguin de 600 mg/dL, considéré comme point limite de l'expérience, en 4-6 jours. Les nanoparticules portant soit la molécule tolérogène soit l'autoantigène ont retardé la progression du diabète jusqu'à 40 jours. Les NP complètes quant à elles, ont montré des effets synergiques. En effet, 50% des souris traitées étaient encore en vie 65 jours après l'apparition de la maladie, et deux souris montrèrent une normoglycémie stable plus de 300 jours après l'apparition de la pathologie. Les nanoparticules tolérogènes induisent une splénomégalie principalement due à la prolifération des lymphocytes B. Les cellules B stimulées par des nanoparticules sécrètent des cytokines anti-inflammatoires, à savoir IL-10 et TGF-bêta. Des cellules B similaires sont également produites in vitro lors de l'incubation avec des nanoparticules. Notre stratégie au potentiel thérapeutique prometteur pourrait être appliquée, en utilisant des antigènes appropriés, à un plus large éventail de maladies auto-immunes.