III- Auto-assemblage d’amphiphiles et formation de micelles
4- Stabilisation de la micelle
Afin d’améliorer la stabilité des auto-assemblages, plusieurs stratégies ont été envisagées dans la littérature. La stabilisation peut être effectuée par i) des interactions physiques (interactions pi, interactions hydrophobes, électrostatiques…) ou par ii) la création de liaisons entre unimères au niveau du cœur ou en surface de la micelle.43
4.1- Stabilisation par réticulation
Les unimères peuvent être modifiés chimiquement afin de réaliser une réticulation covalente entre les différentes unités qui va permettre de stabiliser l’auto-assemblage. Les micelles peuvent être réticulées aussi bien au niveau de leur cœur que de leur surface et ce changement va affecter de manière significative les propriétés physico-chimiques des objets obtenus.
Les méthodes de réticulation sont très variées et reposent le plus souvent sur :
- Une polymérisation radicalaire via l’utilisation d’un activateur de radicaux ou par irradiation UV. Ce sont généralement des groupements allyliques qui sont ajoutés au niveau des blocs de copolymères. En 1979, les équipes de Prochaska et Balosh ont été les premières à introduire la réticulation par polymérisation au niveau du cœur de la micelle en utilisant du polybutadiène.44
L’équipe de Kataoka s’est par exemple intéressée à la réticulation du bloc hydrophobe PEG-b-PLA par l’ajout d’un motif méthacrylate. La réticulation du cœur a lieu après polymérisation radicalaire et l’ajout d’un agent déstabilisant (du type SDS) ne permet pas de dissocier l’auto-assemblage qui reste stable au cours du temps.45
La présence de ponts disulfures qui sont généralement formés par oxydation de thiols. Ces
derniers sont par exemple très importants pour la stabilisation structurale de certaines protéines. Néanmoins, cette liaison peut également être facilement rompue par une étape de réduction chimique. L’équipe de Kataoka a par exemple démontré la réversibilité d’un auto-assemblage via l’utilisation d’un groupement thiol au niveau d’un bloc du copolymère. Suite à l’oxydation du thiol, des ponts disulfures permettent de stabiliser les assemblages. A contrario, une déstabilisation peut être effectuée suite à une réduction du pont disulfure par action du GSH (Glutathion).46
43Talelli, M.; Barz, M.; Rijcken, C. J.; Kiessling, F.; Hennink, W. E.; Lammers, T. Nano today 2015, 10, 93-117.
44Prochaska, K.; Wypych, J. Journal of Applied Polymer Science 1979, 23, 2031-2042.
45Iijima, M.; Nagasaki, Y.; Okada, T.; Kato, M.; Kataoka, K. Macromolecules 1999, 32, 1140-1146.
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Des réactions de chimie-click. Wooley et Hawker ont développés une méthode permettant de
stabiliser des micelles au niveau du cœur ou en surface. Pour cela, des copolymères composés de poly(acrylic acid)-b-poly(styrene) ont été fonctionnalisés à l’aide de groupements réactifs (alcynes et azotures). Ces nouveaux amphiphiles ont été utilisés comme « échafaudages » pour finalement former des nanoparticules réticulées par chimie click.47
4.2- Stabilisation par des composés perfluorocarbonés
Dans les années 80, une équipe menée par Rabolt a montré la possibilité de former des auto-assemblages d’amphiphiles à partir de chaines perfluorées auxquelles un bloc hydrophile a été rajouté. 48 La cohésion des objets est assurée ici par des interactions hydrophobes entre les chaînes perfluorées.
La force de la liaison covalente entre carbone et fluor ainsi que la faiblesse des interactions intermoléculaires de Van der Waals donnent aux composés perfluorocarbonés (PFCs) des caractéristiques uniques comme : i) une faible tension de surface, ii) une faible constante diélectrique, iii) un fort pouvoir solubilisant des gaz (notamment le dioxygène), iv) une extrême hydrophobicité et lipophobicité et v) une forte biocompatibilité. La présence d’une très grande quantité d’atomes de fluor dans les surfactants fluorés modifie leur comportement par rapport à leurs homologues hydrogénés. Ces composés sont moins solubles en phase aqueuse ce qui a pour conséquence de modifier la tension de surface et donc la valeur de la CMC. En effet, les surfactants perfluorés sont capables de réduire la tension de surface de l’eau : elle passe à 15-20 mN m-1
contre 30-40 mM N-1 pour leurs homologues hydrogénés. Le caractère plus hydrophobe des composés perfluorocarbonés conduit donc à des auto-assemblages beaucoup plus stables en solution par rapport à des tensio-actifs hydrogénés.
L’équipe de Mecozzi a par exemple démontré l’effet stabilisant d’un bloc perfluorocarboné lors de la formation de micelles de copolymères. La synthèse d’un copolymère A-B-C avec un bloc B entièrement perfluoré a permis d’incorporer dans le cœur lipophile de la micelle un principe actif hydrophobe (Paclitaxel) avec une très bonne efficacité d’encapsulation. L’incorporation de ce bloc perfluorocarboné a permis de prolonger significativement la circulation sanguine du Paclitaxel (t1/2 = 69,5 h contre 52,9 h respectivement avec et sans bloc de PFCs).49
47Joralemon, M. J.; O'Reilly, R. K.; Hawker, C. J.; Wooley, K. L. Journal of the American Chemical Society 2005, 127, 16892-16899.
48Rabolt, J. F.; Russell, T. P.; Tweig, R. J. Macromolecules 1984, 17, 2786-94.
49Barres, A. R.; Wimmer, M. R.; Mecozzi, S. Molecular pharmaceutics 2017, 14, 3916-3926.
N3-R-N3
Figure 18 : Réaction de chimie click entre alcyne et azoture pour stabiliser
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De cette manière il est possible d’obtenir des systèmes micellaires très variés possédant des propriétés in vivo améliorée. Le laboratoire s’intéresse particulièrement au développement de micelles stabilisées dans leur cœur par réticulation. Les micelles polydiacétyléniques, en particulier, feront l’objet d’une partie de mon travail de thèse. Des micelles présentant un bloc perfluoré dans leur cœur seront également développées. Ces deux catégories de micelles seront évaluées pour des applications thérapeutiques et diagnostiques.
V – Conclusion et objectifs de la thèse
Dans cette partie introductive, nous avons présenté l’intérêt de la nanomédecine et l’importance de la vectorisation pour des applications diagnostiques et thérapeutiques. Si le choix des vecteurs disponibles dans la littérature est varié, nous avons opté, pour nos problématiques, pour le développement de systèmes micellaires originaux. Ces derniers offrent certains avantages clés, notamment une taille réduite (pour une diffusion plus profonde dans les tissus cibles), de la modularité (assemblage à façon), et une capacité de chargement élevée. C’est dans ce contexte que s’inscrit mon travail de thèse autour de l’utilisation de micelles pour : i) le traitement de la plaque d’athérome, ii) comme outil de diagnostic pour l’IRM du fluor et iii) comme outil de diagnostic pour la tomodensitométrie.
Dans une première partie, nous discuterons de la synthèse de micelles polydiacétyléniques stabilisées. Ces micelles seront utilisées pour la prise en charge d’un composé anti-inflammatoire et la formulation sera validée in vitro et in vivo pour le traitement de l’athérosclérose. Les micelles seront également associées à un ligand à des fins de ciblage actif de la plaque.
Dans une deuxième partie, nous nous intéresserons au développement de micelles incorporant un cœur perfluoré pour une application diagnostique. Nous exploiterons ici la capacité des objets micellaires à cibler les tissus tumoraux par effet EPR et l’accumulation des micelles sera visualisée par IRM du fluor-19 in vivo.
Figure 19 : Représentation schématique de l’auto-assemblage formé à partir d’un triblock contenant un bloc perfluorocarboné.49
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Enfin, dans une dernière partie, des nanoparticules d’or seront encapsulées dans des micelles fluorées et utilisées à des fins d’imagerie par tomodensitométrie (CT-scan) ciblant les tissus tumoraux. La présence de l’or assure un contraste aux rayons-X et les phases fluorées une solubilisation de dioxygène. Nous souhaiterions pouvoir exploiter cette dernière propriété afin de transporter du dioxygène au niveau des tissus cancéreux (qui sont le plus souvent hypoxiques) et potentialiser ainsi les traitements par radiothérapie en générant des quantités plus importantes d’espèces réactives de l’oxygène cytotoxiques.