Chapitre III. Les nanoparticules
III.3. Les différents types de nanoparticules
Un grand nombre de nanoparticules ont été développées en laboratoire qu’elles soient
organiques ou inorganiques. Le choix du type de nanoparticule va s’effectuer selon
l’application envisagée : protection ou relargage de principes actifs, durée de vie du
nanomédicament, imagerie...
REVIEW ARTICLE
nature nanotechnology| VOL 2 | DECEMBER 2007 | www.nature.com/naturenanotechnology 753 TYPES OF TARGETING AGENTS
Targeting agents can be broadly classified as proteins (mainly antibodies and their fragments), nucleic acids (aptamers), or other receptor ligands (peptides, vitamins, and carbohydrates).
Targeting cancer with a mAb was described by Milstein in 198123. Over the past two decades, the feasibility of antibody-based tissue targeting has been clinically demonstrated (reviewed in refs 24,25) with 17 different mAbs approved by the US Food and Drug Administration (FDA)26. The mAb rituximab (Rituxan) was approved in 1997 for treatment of patients with non-Hodgkin’s lymphoma — a type of cancer that originates in lymphocytes27. A year later, Trastuzumab (Herceptin), an anti-HER2 mAb that binds to ErbB2 receptors, was approved for the treatment of breast cancer28. The first angiogenesis inhibitor for treating colorectal cancer, Bevacizumab (Avastin), an anti-VEGF mAb that inhibits the factor responsible for the growth of new blood vessels, was approved in 200429. Today, over 200 delivery systems based on antibodies or their fragments are in preclinical and clinical trials16,30. Recent developments in the field of antibody engineering have resulted in the production of antibodies that contain animal and human origins such chimeric mAbs, humanized mAbs (those with a greater human contribution), and antibody fragments.
Antibodies may be used in their native state or as fragments for targeting (Fig. 2a). However, use of whole mAbs is advantageous because the presence of two binding sites (within a single antibody) gives rise to a higher binding avidity. Furthermore, when immune cells bind to the Fc portion of the antibody, a signalling cascade is initiated to kill the cancer cells. However, the Fc domain of an intact mAb can also bind to the Fc receptors on normal cells, as occurs with macrophages. This may lead to increased immunogenicity — the ability to evoke an immune response — and liver and spleen uptake of the nanocarrier. An additional advantage of whole/intact antibodies is their ability to maintain stability during long-term storage. Although antibody fragments including antigen-binding fragments (Fab), dimers of antigen-binding fragments (F(ab′)2), single-chain fragment variables (scFv) and other engineered fragments are less stable than whole antibodies, they are considered safer when injected systemically owing to reduced non-specific binding16,30. To rapidly select antibodies or their fragments that bind to and internalize within cancer cells, phage display libraries that involve a high throughput approach may be used31,32. This method generates a multitude of potentially useful antibodies that bind to the same target cells but to different epitopes (a part of a macromolecule that is recognized by antibodies; one receptor may have several epitopes that will be recognized by multiple antibodies). For example, through a selective
Active cellular targeting Ligand Drug Receptor Nucleus i ii iii Blood vessel Endothelial cell Passive tissue targeting
Nanoparticle EPR effect Angiogenic vessels Ineffective lymphatic drainage Tumour Lymphatic vessel Enlar gement of tu mour cell
x
Figure 1 Schematic representation of different mechanisms by which nanocarriers can deliver drugs to tumours. Polymeric nanoparticles are shown as representative nanocarriers (circles). Passive tissue targeting is achieved by extravasation of nanoparticles through increased permeability of the tumour vasculature and ineffective lymphatic drainage (EPR effect). Active cellular targeting (inset) can be achieved by functionalizing the surface of nanoparticles with ligands that promote cell-specific recognition and binding. The nanoparticles can (i) release their contents in close proximity to the target cells; (ii) attach to the membrane of the cell and act as an extracellular sustained-release drug depot; or (iii) internalize into the cell.
Tumeur Nanoparticule Effet EPR Cellule endothéliale Vaisseau lymphatique Vaisseau sanguin Vaisseaux angiogéniques Drainage lymphatique inefficace
Ciblage passif des tissus
Noyau Ligand Récepteur Principe actif Ciblage actif des cellules
Ludovic BRETIN | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 78 Licence CC BY-NC-ND 3.0
III.3.1.Les nanoparticules organiques
Les liposomes
Les liposomes sont des vésicules formées d’une ou de plusieurs bicouches lipidiques
concentriques, très souvent des phospholipides, et de molécules de cholestérol qui encapsulent
un cœur interne aqueux (Figure 45). Ils ont été fabriqués pour la première fois en 1964 par le
biophysicien britannique Alec Bangham (108). Leur taille varie entre 30 et 150 nm de diamètre.
Ils ont comme avantage de pouvoir encapsuler des composés polaires et apolaires au niveau du
cœur interne aqueux. De plus, ils sont non toxiques, non immunogènes et biocompatibles, ce
qui leur permet d’être des systèmes intéressants pour des applications de transport de principes
actifs thérapeutiques in vivo (109). Ils présentent tout de même certaines limites puisqu’ils
possèdent une faible capacité d’encapsulation. En effet, plus le ratio principe actif/lipide est
élevé lors de la formulation des liposomes, plus ils seront instables en milieu aqueux. Le
relargage précoce des principes actifs hydrophiles dans la circulation sanguine est également
un problème majeur de ce type de nanoparticule.
Figure 45 : liposome
Source : adapté de Steichen et al., 2013 (109)
Les micelles
Les micelles sont constituées de molécules amphiphiles qui s’auto-assemblent en
formant des structures de type cœur-coquille en milieu aqueux (Figure 46). Le cœur est
hydrophobe et la coquille extérieure est hydrophile. Leur taille est inférieure à 100 nm. Les
micelles se forment lorsque la concentration micellaire critique est atteinte, c’est à dire lorsque
la concentration en surfactant dans le milieu a dépassé une valeur seuil. Les molécules
amphiphiles qui peuvent être lipidiques, polymériques ou hybrides, vont alors s’auto-assembler
pour regrouper leurs parties hydrophobes à l’intérieur et exposer sur leur partie extérieure les
domaines hydrophiles (109,110). Les problèmes majeurs de ces nanoparticules sont le faible
taux de chargement en principe actif et surtout la dissociation rapide des micelles lors de
l’injection intraveineuse chez le patient.
Figure 1.
Particle Schematics. (A) liposome, (B) micelle, (C) dendrimers functionalized with complexed (left) and encapsulated (right) drug molecules, (D) nanosphere, and (E) nanocapsule.
Steichen et al. Page 19
Eur J Pharm Sci. Author manuscript; available in PMC 2014 June 20.
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Bicouche lipidique Cœur aqueux
Polaire Apolaire
Ludovic BRETIN | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 79 Licence CC BY-NC-ND 3.0
Figure 46 : micelle
Source : adapté de Steichen et al., 2013 (109)
Les nanoparticules polymériques
Les premières nanoparticules polymériques ont été développées à partir de polymères
biodégradables, les poly(alkyl cyanoacrylates) (PACA) (Figure 47). Les nanoparticules de
PACA ont démontré un taux de chargement en principe actif supérieur aux liposomes et
permettent une amélioration de l’efficacité anticancéreuse de la doxorubicine au niveau tumoral
et une diminution de la toxicité sur l’organisme de la doxorubicine seule (111,112). Ce composé
est actuellement en phase d’essai clinique III pour le traitement des cancers hépatiques primitifs
sous le nom de Livatag
®aux États-Unis et en Allemagne (113).
Figure 47 : poly(alkyl cyanoacrylate)
Depuis, d’autres polymères ont été développés comme le poly(acide lactique) (PLA), le
poly(acide glycolique) (PGA) ou leur copolymère le poly(acide lactique-co-acide glycolique)
(PLGA) (Figure 48). Ces polymères biodégradables sont très souvent utilisés en raison de leur
grande biocompatibilité avec les tissus humains. De plus, il est même possible de moduler les
cinétiques de relargage des nanoparticules de PLGA en jouant sur la concentration de PLA et
de PGA. En effet, les unités glycoliques moins hydrophobes seront plus rapidement
hydrolysées. Ces nanoparticules polymériques offrent une meilleure stabilité que les liposomes
et sont utilisées dans les traitements anticancéreux (114). Cependant, malgré leur forte
biocompatibilité, ces polymères peuvent être cytotoxiques sous forme de nanoparticules et ils
sont difficiles à produire.
Figure 1.
Particle Schematics. (A) liposome, (B) micelle, (C) dendrimers functionalized with complexed (left) and encapsulated (right) drug molecules, (D) nanosphere, and (E) nanocapsule.
Steichen et al. Page 19
Eur J Pharm Sci. Author manuscript; available in PMC 2014 June 20.
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Cœur hydrophobe Coquille hydrophile
Introduction
28
4.2.2 Polymères
4.2.2.1 Poly(alkyl cyanoacrylate)
Les poly(alkyl cyanoacrylates) (PACA) sont des polymères biodégradables utilisés dans le
domaine médical.
Figure 22 - Poly(alkyl cyanoacrylate)
Ils sont utilisés depuis les années 60 comme colle chirurgicale à cause de leur fort pouvoir
collant, même sur les tissus humains. Ce sont les premiers polymères biodégradables utilisés
pour la formation de NP.
[147]Les NPs de PACA ont été développées par Speiser et Couvreur à la fin des années 70. Ils ont
décrit l’encapsulation d’agents anti-cancéreux dans ces NPs avec un taux de chargement en
principe actif supérieur aux liposomes.
[148]Ils ont ensuite rapporté que les NPs de PACA
chargées en doxorubicine étaient plus efficaces et moins toxiques que la doxorubicine seule.
[149]L’utilisation de ces nanoparticules permet en effet d’éviter l’effet de résistance des cellules,
puisque le mécanisme d’internalisation de la doxorubicine seule est différent de celui de la
doxorubicine encapsulée dans les NPs de PACA.
[150-151]Ce composé, baptisé Livatag®, est
actuellement en phase III d’essai clinique dans le cadre du traitement du cancer primitif du foie,
et a reçu en mai 2014 le « fast track approval » de la FDA. Ce statut permet une procédure de
revue accélérée du traitement.
Les NPs de PACA ont également été utilisées pour amener des principes actifs à travers la BHE
[152]
, mais aussi par voie orale, notamment pour l’insuline.
[153]4.2.2.2 Acide hyaluronique
L’acide hyaluronique (cf. Figure 12) peut être utilisé comme matrice de nanoparticule. Choi et
al. ont décrit en 2011 la formation de nanoparticules d’acide hyaluroniques PEGylées
encapsulant de la doxorubicine, puis de la camptothécine. Ils ont ainsi pu synthétiser des NPs
bénéficiant de l’effet EPR pour atteindre les nanoparticules mais aussi des récepteurs CD44
Ludovic BRETIN | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 80 Licence CC BY-NC-ND 3.0
Figure 48 : monomère d’acide lactique et glycolique, copolymère le poly(acide lactique-co-acide glycolique)
Les dendrimères sont des complexes polymériques fortement branchés. À partir d’un
monomère possédant des sites réactifs, ils se construisent par l’ajout contrôlé de couches
successives de monomères pour arriver à une taille comprise entre 1 à 10 nm. Les dendrimères
sont facilement fonctionnalisables et ils peuvent soit lier les principes actifs de façon covalente,
soit les piéger au niveau de leur cœur (Figure 49) (115). Comme les polymères de PLGA, les
dendrimères sont complexes à synthétiser et leur cytotoxicité augmente en fonction de la taille
du dendrimère.
Figure 49 : dendrimères
Source : adapté de Caminade et al., 2014 (115)
D’autres polymères à base de polysaccharides ont également été employés pour
l’obtention de nanoparticules. La chitine est un polysaccharide naturel composé de
N-acétylglucosamines liées par une liaison β(1→4) (Figure 50). Lors de la déacétylation partielle
de la chitine et à partir d’un degré d’acétylation en dessous de 50%, la chitine est appelée
chitosane. Le chitosane est soluble dans l’eau contrairement à la chitine. L’avantage du
chitosane est la présence de groupements amines qui peuvent réagir avec les entités chargées
négativement comme les résidus acides sialiques des glycoprotéines des muqueuses (116). Les
nanoparticules de chitosane ont également montré leur efficacité dans les traitements
anticancéreux puisqu’il a été montré une efficacité anti-tumorale et une survie plus importante
chez des souris présentant des tumeurs sous-cutanées traitées par des nanoparticules de
chitosane encapsulant la doxorubicine en comparaison de la doxorubicine seule (117).
Introduction
30
Figure 24 - Glycol chitosane hydrophobique (Hydrophobic Glycol Chitosan, HGC)
Ils ont obtenu des NPs de diamètres entre 300 nm et 500 nm, qu’ils ont ensuite chargées en
paclitaxel, peptide RGD, cisplatin puis docetaxel. Ils ont alors observé dans chaque cas une
efficacité améliorée et une diminution de la toxicité par rapport aux traitements à base de
principes actifs libres.
4.2.2.4 Acide lactique / glycolique
Le poly(acide lactique-co-acide glycolique) (PLGA) (cf. Figure 25) est un polymère
biodégradable utilisé depuis plus de 30 ans en raison de sa biocompatibilité avec les tissus
humains. En effet, les poly(acide lactique-co-acide glycolique) sont facilement hydrolysés en
milieu in vivo, générant de l’acide lactique et de l’acide glycolique, deux monomères endogènes
qui peuvent être métabolisés par le cycle de Krebs.
[164]Figure 25 - Monomères d'acide lactique et glycolique - Copolymère PLGA
Le poly(acide lactique) (PLA) a été proposé en 1966 par Kulkarni et al. pour être utilisé comme
fil de suture biodégradable, particulièrement utile pour les sutures internes.
[165]Suit alors un
Acide lactique Acide glycolique
Poly(acide lactique-co-acide glycolique)
ineffective for non-solid tumours, and suffers from limited
clinical progress.
23,24Additionally, dendrimers should be able to cross cell
membranes for many biological applications. Ideally, they
should be also non-immunogenic, non-toxic, and stable up to
the target, then cleavable into non-toxic small pieces to be easily
excreted. In other words, dendrimers should be new “magic
bullets”
25dreamed by Paul Ehrlich one century ago.
Five different types of interactions between dendrimers and
drugs can be envisaged and have been already obtained, as
shown in Fig. 3. Multiple copies of the drug can be used as
terminal functions of dendrimers, linked through either a
strong covalent bond (case A), or a cleavable bond (case B).
26The
drug can also interact non-covalently with the internal structure
of the dendrimer (case C),
27or with the external part (case D).
Depending on both the structure and size of the dendrimer and
of the drug, this interaction can occur between associated
dendrimers (cases E and F). All these possibilities can also be
observed with dendrons,
28also called dendritic wedges, which
are dendritic sections having a cauliower structure rather than
the bowl-like structure of dendrimers.
This review will be organized depending on the type of
interaction between the dendrimers and the active substances
to be delivered, as illustrated in Fig. 3. In spite of the huge
number of publications related to this topic (several
thou-sands), only selected and illustrative examples will be given.
Drugs covalently linked to dendrimers
As dendrimers are widely considered as scaffolds, the idea to
conjugate drugs with dendrimers has emerged very early, in
particular to take advantage of the expected multivalency
effect. For instance, polylysine dendrons decorated with a
-thiosialosides were synthesized as inhibitors of viral
hae-magglutinins (HAs), in order to prevent cell infections by
inuenza viruses. The recognition and binding of monomeric
HA to a single a-sialoside is rather weak, but the dendrons
showed excellent inhibitory capacities (ca. 10
6times better
than a monosialoside), demonstrating clearly a multivalency
effect.
29An analogous concept is illustrated by the microbicidal agent
VivaGel® which is currently in Phase 3 clinical trials for
treat-ment and prevention of bacterial vaginosis and sexually
trans-mitted infections.
30The active ingredient is a generation
Fig. 2 Illustration of the EPR effect: on the left, small molecules canescape from the blood vasculature, and diffuse into the whole body,
with only a tiny portion reaching the target (tumour). On the right, nanosized materials (such as dendrimers) cannot escape from the blood vasculature, except in the tumour, where blood vasculature is leaky.
Fig. 3 Types of formulations using dendrimers (third generation
schematized). Fig. 4 Poly(L-lysine) dendrimer as the microbicidal agent.
4056 | J. Mater. Chem. B, 2014,2, 4055–4066 This journal is © The Royal Society of Chemistry 2014
Journal of Materials Chemistry B Feature Article
Published on 28 April 2014. Downloaded by Universite de Sherbrooke on 05/02/2018 20:55:07.
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ineffective for non-solid tumours, and suffers from limited clinical progress.23,24
Additionally, dendrimers should be able to cross cell membranes for many biological applications. Ideally, they should be also non-immunogenic, non-toxic, and stable up to the target, then cleavable into non-toxic small pieces to be easily excreted. In other words, dendrimers should be new “magic bullets”25dreamed by Paul Ehrlich one century ago.
Five different types of interactions between dendrimers and drugs can be envisaged and have been already obtained, as shown in Fig. 3. Multiple copies of the drug can be used as terminal functions of dendrimers, linked through either a strong covalent bond (case A), or a cleavable bond (case B).26The drug can also interact non-covalently with the internal structure of the dendrimer (case C),27or with the external part (case D). Depending on both the structure and size of the dendrimer and of the drug, this interaction can occur between associated dendrimers (cases E and F). All these possibilities can also be observed with dendrons,28also called dendritic wedges, which
are dendritic sections having a cauliower structure rather than the bowl-like structure of dendrimers.
This review will be organized depending on the type of interaction between the dendrimers and the active substances to be delivered, as illustrated in Fig. 3. In spite of the huge number of publications related to this topic (several thou-sands), only selected and illustrative examples will be given.
Drugs covalently linked to dendrimers
As dendrimers are widely considered as scaffolds, the idea to conjugate drugs with dendrimers has emerged very early, in particular to take advantage of the expected multivalency effect. For instance, polylysine dendrons decorated with a-thiosialosides were synthesized as inhibitors of viral hae-magglutinins (HAs), in order to prevent cell infections by inuenza viruses. The recognition and binding of monomeric HA to a single a-sialoside is rather weak, but the dendrons showed excellent inhibitory capacities (ca. 106 times better than a monosialoside), demonstrating clearly a multivalency effect.29An analogous concept is illustrated by the microbicidal agent VivaGel® which is currently in Phase 3 clinical trials for treat-ment and prevention of bacterial vaginosis and sexually trans-mitted infections.30 The active ingredient is a generation Fig. 2 Illustration of the EPR effect: on the left, small molecules can
escape from the blood vasculature, and diffuse into the whole body, with only a tiny portion reaching the target (tumour). On the right, nanosized materials (such as dendrimers) cannot escape from the blood vasculature, except in the tumour, where blood vasculature is leaky.
Fig. 3 Types of formulations using dendrimers (third generation
schematized). Fig. 4 Poly(L-lysine) dendrimer as the microbicidal agent.
4056 |J. Mater. Chem. B, 2014,2, 4055–4066 This journal is © The Royal Society of Chemistry 2014
Journal of Materials Chemistry B Feature Article
Published on 28 April 2014. Downloaded by Universite de Sherbrooke on 05/02/2018 20:55:07.
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