La synthèse des nanoparticules hybrides à base d’oxydes de gadolinium à structure cœur-coquille et leur fonctionnalisation avec le DTPA ou le DOTA ont été étudiées pendant la thèse d’Anna Mignot (Mignot, 2012). La fonctionnalisation, quelque soit la molécule hydrophile choisie (DTPA ou DOTA) est réalisée par couplage peptidique entre les fonctions acides carboxyliques de ces molécules et les fonctions amines primaires en surface des nanoparticules. Afin d’optimiser le rendement de greffage, la fonctionnalisation des nanoparticules est réalisée avec des formes « activées » du DTPA et du DOTA : il s’agit du DTPA-BA et du DOTA-GA (Figure I.19).
Figure I.19. Représentation du DTPA-BA et du DOTA-GA.
Dans le cas du DTPA-BA, 4 fonctions acides carboxyliques du DTPA ont été activées sous la forme de deux anhydrides. Le DTPA-BA, en présence d’amines primaires issues des nanoparticules, subit une addition nucléophile, engendrant l’ouverture du cycle et la formation d’une liaison amide. Le DTPA greffé à la nanoparticule présente alors 7 sites de coordination (3 fonctions amines tertiaires et 4 acides carboxyliques) disponibles pour la complexation d’ions métalliques d’intérêt. Le doublet non liant de l’oxygène issu de la liaison amide formée joue le rôle du 8ème site de coordination ; celui-ci étant impliqué dans une délocalisation électronique, il est moins disponible.
Le DOTA-GA est un dérivé du DOTA dont un des bras acides carboxyliques est modifié et présente une anhydride. La réaction entre le DOTA-GA et les fonctions amines primaires des nanoparticules est similaire à celle avec le DTPA-BA. Lorsque le DOTA-GA est greffé à la nanoparticule, le ligand présente alors 8 sites de coordination (4 fonctions amines tertiaires et 4
DTPA
Acide diéthylènetriamine pentaacétique
DOTA
Acide 1,4,7,10-tétraazacyclododécane-1,4,7,10-tétraacétique
DTPA-BA
Acide diéthylènetriamine pentaacétique – Bis-anhydride
DOTA-GA
Acide 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetique – anhydride glutarique
Chapitre I – Etude bibliographique
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fonctions acides carboxyliques) disponibles pour la complexation d’ions métalliques d’intérêt. Par conséquent, les nanoparticules fonctionnalisées avec du DOTA-GA présentent des ligands avec un site de coordination préférentiel supplémentaire pour la complexation d’autres ions par rapport aux nanoparticules fonctionnalisées avec du DTPA-BA.Les anhydrides étant extrêmement réactifs vis-à-vis des nucléophiles, la présence d’eau conduit à leur l’hydrolyse et défavorise la formation de liaisons amides (les acides carboxyliques sont peu réactifs vis-à-vis des amines). Afin de pallier à ce problème, le DTPA-BA et le DOTA-GA sont préalablement dissous dans du DMSO anhydre puis ajoutés à la solution colloïdale de nanoparticules dans le DEG.
De manière surprenante, les nanoparticules fonctionnalisées avec le DTPA-BA ou le DOTA-GA présentent un DH moyen plus petit (2-3 nm) que les nanoparticules à structure cœur-coquille (4-5 nm), ce qui n’est pas le cas pour les nanoparticules fonctionnalisées avec le PEG (6-8 nm) (Figure I.20). Il semblerait que le DTPA et le DOTA, qui, contrairement au PEG, sont connus et fréquemment utilisés comme ligands dans la complexation d’ions Gd3+ pour une application en tant qu’agents de contraste pour l’IRM, jouent un rôle clé dans la diminution brutale de la taille des nanoparticules.
Figure I.20. Représentation des différentes étapes de synthèse des nanoparticules hybrides à base de gadolinium : synthèse du cœur oxyde, enrobage par une matrice de polysiloxane et fonctionnalisation par le PEG, le DOTA ou le DTPA.
Les travaux de thèse d’Anna Mignot ont démontré que le greffage du DTPA ou du DOTA à la surface des nanoparticules a provoqué la dissolution du cœur oxyde lors du passage des particules en milieu aqueux (étape de purification) (Mignot, 2012). De plus, la couche de polysiloxane étant GdCl3.6H2O 2-3 nm 4-5 nm 6 - 8 nm 3 nm Dissolution du sel de Gd dans le DEG Formation du cœur oxyde Gd2O3 Gd2O3-SiOx Encapsulation du cœur par une matrice
de polysiloxane
Fonctionnalisation par des molécules hydrophiles Structure cœur-coquille NaOH TEOS/ APTES PEG DOTA ou DTPA
Structure cœur-coquille intacte Gd2O3-SiOx-PEG
Dissolution du cœur puis fragmentation lors du
passage dans l’eau SiOx-[GdIII(DOTA)(H2O)] ou
SiOx-[GdIII(DTPA)(H2O)]
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Complexe [GdIII(DOTA)(H2O)]porté par la matrice de SiOx
Réseau de polysiloxane (SiOx) DOTA libre
Liaison amide avec les DOTA-GA TEOS
APT
ES
relativement fine (« GC-2Si » Æ 2 Si / 1 Gd), la présence d’éventuels défauts au sein de la matrice a pu favoriser la migration des ions Gd3+ du cœur vers l’extérieur de la nanoparticule ; ces ions sont chélatés par les molécules de DTPA ou de DOTA. La matrice de polysiloxane, alors dépourvue de tout support (absence de cœur) s’effondre sous forme de plusieurs fragments, donnant lieu à de petites nanoparticules qui seront désormais appelées « SRPs » (Small Rigid Particles). Les SRPs ne possèdent donc plus de cœur oxyde et la matrice de polysiloxane est devenue l’élément central de ces nanoparticules : elle supporte une dizaine de ligands DTPA ou DOTA, certains d’entre eux chélatant des ions Gd3+, d’autres pouvant rester libres en vue d’une vectorisation ou de la complexation d’autres ions d’intérêt (Figure I.21).
Figure I.21. Représentation des nanoparticules hybrides à base de gadolinium fonctionnalisées par le DOTA-GA (SRPs). Sur la figure centrale, les atomes de Si sont en jaune, O en rouge, N en bleu, Gd en vert, H en blanc.
Les structures des nanoparticules fonctionnalisées avec le DTPA-BA ou le DOTA-GA sont semblables. Cependant, les ligands entourant les SRPs présentent 8 sites de coordination dans le cas de la fonctionnalisation avec le DOTA-GA contre 7 pour le DTPA-BA. Or, la toxicité du gadolinium dépend de la capacité des complexes à libérer des ions Gd3+ au sein de l’organisme, et par conséquent, des stabilités cinétique puis thermodynamique du complexe. Les ligands macrocycliques comme le DOTA sont moins sujets à la décomplexation et à la transmétallation (échange de métaux/ligands) que les ligands linéaires comme le DTPA. Par exemple, le temps de demi-vie de dissociation du complexe de gadolinium avec le DOTA est bien plus élevé que celui du complexe formé avec le DTPA (T1/2 [Gd-DOTA] > 1 mois / T1/2 [Gd-DTPA] = 10 min). Le rayon ionique de l’ion Gd3+ (107,8 pm) étant proche de celui de l’ion Ca2+ (114 pm), les ions Gd3+ peuvent s’interchanger avec les ions Ca2+ (transmétallation : [DTPA-Gd] + Ca2+Æ [DTPA-Ca]- + Gd3+) et inhiber l’activité de certaines enzymes et/ou affaiblir le système réticuloendothélial (Idée et al., 2006). Pour ces raisons-la, les travaux de vectorisation des nanoparticules hybrides à base de gadolinium ont préférentiellement été réalisés sur les nanoparticules fonctionnalisées avec le DOTA-GA.