Propriétés des micro- et nano-particules influençant leur internalisation L’internalisation des particules et leur biodistribution est modulée par leurs propriétés

physicochimiques, comme illustré dans la Figure 14. L’impact de la taille et de la morphologie des particules ainsi que de leurs propriétés sur leur phagocytose sera discuté dans ce paragraphe.

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Figure 14 : Exemple illustrant l’influence de la taille, de la charge de surface, et de la morphologie de NPs sur leur biodistribution. Les graphiques représentent le pourcentage d’internalisation des

NPs en fonction de leurs propriétés, d’après Blanco et al., 2015

II.3.2.1. Taille

Il est généralement accepté que la voie d’internalisation des particules par les macrophages est corrélée à leur taille. Ainsi, les macrophages, mesurant entre 20 et 60 μm selon leur localisation, ne peuvent pas phagocyter de particules de taille supérieure à la leur. Beaucoup d’études ont ainsi étudié l’impact de la taille des particules sur leur phagocytose par les macrophages (Gustafson et al., 2015). Tabata et Ikada ont étudié la phagocytose de sphères de polystyrène de tailles comprises entre 0,5 et 4,6 μm par des macrophages péritonéaux murins et ont observé une phagocytose maximale pour les particules mesurant 1,7 μm de diamètre (Tabata et Ikada, 1988). Sharma et al.ont observé ce phénomène de phagocytose avec des particules de polystyrène de tailles comprises entre 0,5 et 3,6 μm (Sharma et al., 2010). Néanmoins, les auteurs ont observé que la phagocytose des plus grosses particules (3,6 μm) était moindre et qu’elle était moins importante pour les particules de taille intermédiaire (1μm) par rapport aux nanoparticules de 0,5 μm de diamètre. De la même manière, la persistance des particules dans les macrophages est corrélée à leur taille, avec une persistance moindre des plus grosses particules (Sharma et al., 2010).

Toujours en utilisant des particules de polystyrène, Champion et al. ont étudié l’impact de la taille des microparticules (1–6 μm) sur la capacité phagocytique de macrophages alvéolaires de rats. Ils ont démontré une phagocytose maximale pour les particules de taille intermédiaire (2-3 μm), s’expliquant par un plus grand attachement des particules à la surface des macrophages (Champion et al., 2008). Il est généralement accepté que l’internalisation des nanoparticules de taille inférieure à

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200 nm se fait par endocytose dépendante de la clathrine (Oh et al., 2009; Rejman et al., 2004) et que celle des nanoparticules de taille inférieure à 80 nm se fait par endocytose dépendante de la cavéoline (Kou et al., 2013). Cependant, Kuhn et al. ont observé que plusieurs voies étaient mises en place pour l’internalisation de nanoparticules de polystyrène de 40 nm par des macrophages murins (J774A.1), notamment la phagocytose, la macropinocytose, et l’endocytose dépendante de la clathrine (Kuhn et al., 2014). De la même manière, Jiang et al. ont observé la participation de deux voies pour l’internalisation de NPs de chitosane de 250 nm de diamètre par des macrophages murins, à savoir l’endocytose dépendante de la clathrine et la phagocytose (Jiang et al., 2017).

II.3.2.2. Propriétés de surface des nanoparticules

Compte tenu du fait que l’internalisation des macrophages se fait majoritairement par phagocytose, que celle-ci requiert leur opsonisation, et que cette dernière résulte d’interactions ioniques ou hydrophobes/hydrophiles entre les opsonines et la surface des nanoparticules, l’internalisation des nanoparticules est notamment reliée à leur charge de surface et la présence de groupements hydrophobes ou hydrophiles à leur surface (Owensiii et Peppas, 2006).

La PEGylation des nanoparticules est une stratégie largement utilisée pour l’échappement du système réticulo-endothélial, permettant le ciblage de sites d’intérêt, notamment dans le cas du cancer (Chen et al., 2016). En effet, la PEGylation diminue la charge et l’hydrophobicité de surface des NPs qui sont alors dites furtives du fait de l’augmentation de leur durée de vie dans la circulation. Walkey et al. ont démontré in vitro que l’augmentation de la densité des PEG (masse moléculaire = 5000 Da) greffés à des nanoparticules d’or (0-10 PEG/nm²) diminuait l’adsorption des protéines sériques de par l’encombrement stérique provoqué par les chaines PEG, suggérant l’importance de l’opsonisation des NPs dans le phénomène d’internalisation cellulaire (Figure 15) (Walkey et al., 2012). Cela a également été observé dans le cas de liposomes unilamellaires mesurant de 10 à 150 nm de diamètre (Senior et al., 1991).

De la même manière, Blunk et al. ont modifié la surface de nanoparticules de polystyrène (60 nm) en adsorbant à leur surface des copolymères d’hydrophilie croissante : les poloxamères 184, 188 et 407 (Blunk et al., 1993). Les auteurs ont alors observé une plus forte opsonisation des nanoparticules plus hydrophobes (Blunk et al., 1993).

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Figure 15. Impact de la PEGylation de nanoparticules d’or sur leur internalisation par les macrophages murins J774A.1. L’internalisation cellulaire, exprimée en μg de nanoparticules par mg

des protéines cellulaires totales, a été mesurée après 5 heures d’exposition (Walkey et al., 2012)

Il est généralement accepté que les nanoparticules chargées positivement sont plus internalisées que les NPs neutres ou chargées négativement du fait d’interactions électrostatiques avec les membranes cellulaires, dont la majorité sont chargées négativement. He et al. ont étudié l’impact de la charge de nanoparticules polymères sur leur internalisation par des macrophages murins péritonéaux et ont observé une augmentation de l’internalisation cellulaire avec la charge de surface des nanoparticules, qu’elle soit négative ou positive (He et al., 2010). Cependant, les auteurs ont observé une internalisation plus importante des nanoparticules chargées positivement par les macrophages in vitro mais un ciblage tumoral d’autant plus efficace pour des NPs peu chargées négativement in vivo (He et al., 2010). Cette dernière observation peut s’expliquer par une phagocytose moindre des NPs par le système réticulo-endothélial et est en accord avec deux autres études (Rattan et al., 2017; Walkey et al., 2012).

Rattan et al. ont acétylé des NPs à base de dendrimères et fonctionnalisées avec de l’acide folique pour neutraliser la charge de surface des NPs. Ils ont démontré in vitro que cette fonctionnalisation de surface permettait de diminuer les interactions avec le système réticulo-endothélial, représenté par une lignée de macrophages murins classiques (RAW264.7) (Rattan et al.,

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2017). De plus, Rattan et al. ont démontré par le biais d’études d’internalisation que l’acétylation des dendrimères conjugués ne modifiait pas leur capacité à être internalisés par la lignée cellulaire de carcinome KB surexprimant le récepteur à l’acide folique, contrairement à la PEGylation.

II.3.2.3. Morphologie

Sharma et al. ont évalué l’impact de la forme de microparticules polymères (1 μm) sur la capacité phagocytique des macrophages en utilisant la lignée de macrophages murins RAW264.7. Les auteurs ont ainsi démontré que les particules de forme « ellipsoïde oblique » étaient plus facilement phagocytées par les macrophages que les particules sphériques (Sharma et al., 2010).

Champion et al. ont quant à eux observé l’impact de la capacité de macrophages alvéolaires à internaliser des microparticules de polystyrène de différentes morphologies (sphères, disques, ellipsoïdes). Ils ont démontré que la phagocytose des microparticules était dépendante de l’angle de contact initial entre les microparticules et la membrane du macrophages, donc à la fois de la morphologie des microparticules et de leur orientation lors du contact avec les macrophages (Champion et al., 2008). Ce phénomène dépend de la déformation membranaire induite par l’actine nécessaire pour l’internalisation. Ainsi, dans le cas des particules ellipsoïdes, lorsque celle-ci est orientée de manière à initier un contact avec sa partie plus courbée (pointe) avec le macrophage, la vésicule entourée d’actine se forme : il y a phagocytose. Dans le cas où le contact entre cette même particule et le macrophage se fait sur sa face plate, l’attachement se fait mais la phagocytose n’a pas lieu (Figure 16) (Champion et al., 2008).

II.3.2.4. Rigidité

La rigidité des particules est également un paramètre important dans la modulation de leur internalisation. Les études s’accordent sur le fait que les nanoparticules rigides sont plus facilement phagocytées par les macrophages. Ainsi, Beningo et al. ont observé une internalisation 6 fois plus importante des microparticules de poly-acrylamide (1 à 6 μm) rigides par des macrophages murins en comparaison aux mêmes particules souples (Beningo et Wang, 2002). Des résultats similaires ont été obtenus pour des nanoparticules PEGylées rigides d’environ 200 nm (Anselmo et al., 2015). Anselmo et al. ont démontré in vitro sur une lignée de macrophages murins J774 cells que les NPs rigides étaient 4 fois plus internalisées que leurs analogues souples (Anselmo et al., 2015). Ce phénomène peut s’expliquer par l’impact de la rigidité des NPs sur leur voie d’internalisation, leur opsonisation, ou encore par l’étape d’invagination membranaire induite par l’actine.

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Figure 16. Influence de l’orientation des particules lors de leur contact avec des macrophages sur leur capacité à être phagocytées par ces derniers, d’après Champion et al., 2008. Images de

microscopie capturées en temps réel durant 39 min, mettant en évidence les interactions entre des macrophages et des particules ellipsoïdes identiques (axe majeur de la particule : 14 μm, axe mineur/pointe : 3 μm) à partir de deux orientations différentes. (A) Le macrophage se fixe le long de

l'axe principal d'une particule ellipsoïde et l'internalise complètement en 3 min. (B) Le macrophage se fixe à la face plate de cette même particule ellipsoïde mais n'internalise pas la particule (Barres

d'échelle: 10 μm).