Étude des propriétés des dendrimères pour le transport
de molécules bioactives
Mémoire
Patrick Darveau
Maîtrise en chimie
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
© Patrick Darveau, 2018
Étude des propriétés des dendrimères pour le transport
de molécules bioactives
Mémoire
Patrick Darveau
Sous la direction de :
Jean-François Morin, directeur de recherche
Donald Poirier, codirecteur de recherche
III
Résumé
Plusieurs milliards de dollars sont investis chaque année pour la recherche de molécules bioactives contre diverses maladies. De nos jours, la majorité de ces composés sont synthétisés par l’homme et se conforme à la règle de 5 de Lipinski qui analyse les propriétés physicochimiques d’une molécule bioactive et son potentiel à atteindre une cible thérapeutique. Or, plusieurs composés synthétisés sont extrêmement actifs, mais ne respectent pas la règle de Lipinski. L’aspect limitant pour plusieurs de ces molécules est leur faible caractère hydrophile qui diminue la solubilité physiologique. Dans la littérature, plusieurs méthodes ont été publiées pour améliorer cette caractéristique. Un exemple est la conjugaison de la molécule hydrophobe sur des macromolécules telles des polymères, des polysaccharides ou des peptides. En tenant compte de l’expertise de notre laboratoire, nous avons utilisé le dendrimère PEOT, un polymère monodisperse hyperbranché, comme plateforme pour améliorer les propriétés physicochimiques d’un composé bioactif, l’aminostéroïde AH-38, sur diverses lignées cancéreuses.
Pour conjuguer l’AH-38 sur le PEOT, il a été nécessaire d’ajouter une méthode d’ancrage par la préparation d’une molécule d’espacement. L’idée initiale était d’utiliser un espaceur qui permettrait de lier de manière réversible l’aminostéroïde bioactif pour être libéré à la cible thérapeutique. La présence intrinsèque d’un groupement fonctionnel hydrophile dans la structure de la molécule d’espacement serait idéale pour une fonctionnalisation complète des terminaisons. De plus, la molécule d’espacement devrait pouvoir se conjuguer en périphérie du dendrimère par cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen sans avoir recours à un catalyseur de cuivre. Plusieurs tentatives ont été effectuées sans succès pour fonctionnaliser une molécule d’espacement correspondant à ces critères. Finalement, nous avons choisi de ne pas avoir de fonction hydrophile dans l’espaceur et la conjugaison au dendrimère fait intervenir un catalyseur de cuivre. Dans ce mémoire de maîtrise, les avantages de la nanomédecine, le cheminement de pensée et les travaux effectués pour arriver aux molécules cibles sont présentés.
IV
Abstract
Each year, billions of dollars are invested in research to treat different illnesses using bioactive molecules. Nowadays, most drugs are synthesized by men; they usually comply with the Lipinski rule of 5 which analyses their physicochemical properties and their potential reach the biological target. However, there are still numerous extremely active compounds, but they do not act in accordance to the Lipinski’s rule. Many of those compounds are limited by their low hydrophilicity which reduces their physiological solubility. In the literature, many strategies have been published on ways to enhance this property. For example, a poorly water-soluble drug may be grafted onto a macromolecule such as a polymer, a polysaccharide or a peptide. Considering our laboratory area of expertise, we used the PEOT dendrimer -- a monodisperse hyperbranched polymer -- as carrier to enhance the physicochemical properties of the aminosteroid AH-38, a bioactive compound over multiple cancer cell lines.
To graft the AH-38 onto the PEOT, a linker molecule must be used. In our preliminary research, we wanted to choose a structure that could link reversibly the bioactive aminosteroid to be released at the therapeutic target. In the linker’s structure, a hydrophilic functional group should be present, it would be ideal to completely functionalize the dendrimer’s terminis. Also, the linker should be able to graft onto the dendrimère using the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition without any copper catalyst. Many attempts were made to synthesize a linker with following these criteria, but they all failed. Consequently, we opted for a linker that does not have a hydrophilic functional group and uses a copper catalyst to graft onto the dendrimer. In this master’s report, nanomedecine’s advantages, the entire thinking process and experiments that were performed in order to obtain the target’s molecules are presented.
V
Table des matières
Résumé ... III Abstract ... IV Table des matières ... V Liste des tableaux ... VIII Liste des schémas ... IX Liste des figures ... X Liste des abréviations ... XI Remerciements ... XIII
Chapitre 1. Introduction ... 1
1.1. La nanomédecine ... 1
1.1.1. Les molécules bioactives ... 1
1.1.2. Les propriétés pharmacocinétiques ... 1
1.1.3. Les nanomatériaux en médecine ... 4
1.2. Les dendrimères ... 5
1.2.1. Historique des dendrimères ... 5
1.2.2. Méthodes de synthèse ... 5
1.2.3. Élimination des imperfections ... 10
1.2.4. Greffage des molécules bioactives ... 11
1.2.5. Influence sur la solubilité physiologique ... 12
1.2.6. Effet sur les propriétés pharmacocinétiques ... 13
1.2.7. Effet EPR ... 15
1.2.8. Efficacité thérapeutique contre le cancer ... 16
1.2.9. Toxicité des médicaments anticancéreux ... 18
1.3. Projet ... 19
1.3.1. Précurseurs ... 19
1.3.2. Objectifs ... 23
1.4. Bibliographie ... 25
Chapitre 2. Les molécules d’espacement ... 28
2.1. 2,3-Anhydride bicyclo[2.2.1]hept-5-ène ... 29
2.1.1. Raison du choix de la molécule de départ ... 29
2.1.2. Ouverture de l’anhydride ... 29
2.1.3. SPAAC ... 30
2.2. Acide but-2-yne-1,4-dioïque ... 33
VI 2.2.2. Double estérification ... 34 2.2.3. Estérification asymétrique ... 36 2.2.4. Hypothèses ... 36 2.3. Acétylènes dicarboxamides ... 37 2.3.1. Changement de fonction ... 37 2.3.2. Tests préliminaires ... 39 2.3.3. N1,N4-bis(β-Ala-(OMe))but-2-ynediamide ... 41 2.3.4. N1,N4-bis(β-Ala-(Ot-Bu))but-2-ynediamide ... 42 2.3.5. Allongement de l’espaceur ... 45 2.4. Acide hept-6-ynoïque ... 49
2.4.1. Raison du choix de la structure de départ ... 49
2.4.2. Liaison du composé modèle ADT ... 50
2.4.3. Greffage de l’espaceur sur le PEOT ... 50
2.4.4. CuAAC ... 54
2.4.5. Optimisation du taux de chargement ... 56
2.4.6. Chargement du RM-133 ... 61
2.4.7. Chargement du AH-38 ... 66
2.4.8. Tests in vitro (prolifération cellulaire) ... 71
2.4.9. Tests in vivo (concentration plasmatique) ... 75
2.5. Bibliographie ... 78
Chapitre 3. Nouvelle structure du PEOT ... 80
3.1. Modification de l’unité de répétition ... 80
3.2. Schéma de synthèse ... 82
3.2.1. Double amidation ... 83
3.2.2. Protection de l'alcool ... 83
3.2.3. Déprotection des éthers silylés ... 85
3.2.4. Préparation des terminaisons ... 90
3.2.5. Futur du projet ... 95
3.3. Bibliographie ... 97
Chapitre 4. Conclusion ... 99
Chapitre 5. Méthodes expérimentales ...111
5.1. Méthodes et matériels ...112
5.1.1. Procédures générales des expériences chimiques ...112
5.1.2. Procédure du test in vitro de la prolifération cellulaire de la lignée MCF-7 ...114
5.1.3. Procédure du test in vivo pour mesurer la concentration d’AH-38 libre dans le plasma ...115
5.2. Partie expérimentale du chapitre 2 ...117
VII
5.2.2. Dérivés diesters de l’acide but-2-yne-1,4-dioïque ...118
5.2.3. Dérivés dicarboxamides de l’acide but-2-yne-1,4-dioïque ...119
5.2.4. Dérivés de l’acide hept-6-ynoïque...123
5.3. Partie expérimentale du chapitre 3 ...135
5.3.1. Introduction des branches pour former l’unité de répétition ...137
5.3.2. Préparation des bouts de chaînes en de bons groupements partants ...138
VIII
Liste des tableaux
Tableau 1. Caractéristiques réactionnelles des trois réactions «clickks» ... 11 Tableau 2. Méthodologie mesurant la conversion RMN de la réaction SPAAC ... 31 Tableau 3. Taux de conversion de la SPAAC sur l'espaceur modèle comportant un acide carboxylique et un ester ... 32 Tableau 4. Conditions réactionnelles testées pour la déprotection de l'ester méthylique conjugué à un alcyne ... 42 Tableau 5. Conditions réactionnelles testées pour la double estérification sur N1,N4
-bis(β-Ala-OH)but-2-ynediamide... 45 Tableau 6. Comparaison des valeurs de solubilité aqueuse entre l’ADT et le RM-133 au point de saturation ... 56 Tableau 7. Comparaison de l'efficacité thérapeutique sur différentes lignées entre l'AH-38 et le RM-133 ... 66 Tableau 8. Conversion de la mesure d'absorbance de la molécule AH-38 fonctionnalisée au PEOT en pourcentage massique de composé bioactif sur les générations de dendrimère (0,3/0,5 équiv. CuSO4) ... 71
Tableau 9. Conversion de la mesure d'absorbance de la molécule AH-38 fonctionnalisée au PEOT en pourcentage massique de composé bioactif sur les générations de dendrimère (1,3/1,5 équiv. CuSO4) ... 71
Tableau 10. Temps de demi-vie des différentes liaisons selon la nature du milieu ... 81 Tableau 11. Modifications des conditions réactionnelles pour la double tosylation du ... 92
IX
Liste des schémas
Schéma 1. Ouverture de l'anhydride norbornène par estérification du cyclohexanol ... 30
Schéma 2. Double SPAAC du norbornène sous les conditions réactionnelles de croissance du PEOT ... 31
Schéma 3. Mécanisme de décomposition de la fonction 1,2,3-triazoline ... 33
Schéma 4. Hypothèse pour l’incapacité d’obtenir un dérivé monoester de l’acide but-2-yne-1,4-diamide ... 37
Schéma 5. Voies de synthèse possibles pour atteindre l’espaceur ... 38
Schéma 6. Synthèse du N1,N4-bis(hexyl)but-2-ynediamide ... 40
Schéma 7. Double cycloaddition de Huisgen du N1,N4-bis(hexyl)but-2-ynediamide ... 40
Schéma 8. Schéma de synthèse à partir de H-β-Ala-OMe pour former la molécule d’espacement ... 41
Schéma 9. Mécanisme de déprotection du groupement protecteur Ot-Bu ... 43
Schéma 10. Schéma de synthèse à partir de H-β-Ala-(Ot-Bu) pour former la molécule d’espacement ... 43
Schéma 11. Double estérification d’alcools secondaires sur N1,N4-bis(β-Ala-OH)but-2-ynediamide ... 45
Schéma 12. Mécanisme de déprotection du groupement protecteur Fmoc ... 46
Schéma 13. Schéma de synthèse pour former la molécule d'espacement allongée (Menthol) ... 47
Schéma 14. Mécanisme de couplage peptidique à l’aide de l'agent de couplage HBTU ... 48
Schéma 15. Schéma de synthèse pour former la molécule d'espacement allongée (ADT) ... 49
Schéma 16. Synthèse de la molécule d'espacement liée à l'ADT ... 50
Schéma 17. Cycle catalytique de la CuAAC ... 51
Schéma 18. Exemple de chargement statistique sur la G1 du PEOT ... 54
Schéma 19. Synthèse de la molécule d'espacement liée à l’aminostéroïde bioactif RM-133 ... 62
Schéma 20. Synthèse de l'isomère de position majoritaire de l’hept-6-ynoate d’AH-38 ... 67
Schéma 21. Formation du G3-EO3-EO2-(AH-38)(10/16)-COOH(6/16) ... 68
Schéma 22. Schéma de synthèse du monomère PEOT-amide ... 82
Schéma 23. Synthèse du N1,N4-bis(2-(2-((tert-butyldiméthylsilyl)oxy)éthoxy)éthyl)but-2-ynediamide ... 84
Schéma 24. Réaction «one-pot» pour obtenir l’unité de répétition PEOT-amide (Iodure) ... 86
Schéma 25. Déprotection des éthers silylés avec le réactif TBAF ... 87
Schéma 26. Déprotection des éthers silylés avec le sel de KF... 88
Schéma 27. Déprotection des éthers silylés avec le réactif TFA ... 89
Schéma 28. Déprotection des éthers silylés avec une solution de 1 % HCl(aq.) ... 90
Schéma 29. Double tosylation des branches de l’unité de répétition PEOT-amide ... 91
Schéma 30. Double triflation des branches de l’unité de répétition PEOT-amide ... 93
X
Liste des figures
Figure 1. Exemple des molécules nécessaires pour la synthèse d'un dendrimère ... 6
Figure 2. Présentation de la synthèse d'un dendrimère par la méthode convergente ... 7
Figure 3. Présentation de la synthèse d'un dendrimère par la méthode divergente ... 9
Figure 4. Exemple de nanotransporteurs de PAMAM G1/G1.5 liés au MTX ... 18
Figure 5. Exemple du nanotransporteur de polyester G1 lié à la DOX ... 18
Figure 6. Structure de l’aminostéroïde bioactif RM-133 ... 20
Figure 7. Structures des trois générations du dendrimère PEOT ... 22
Figure 8. Rétrosynthèse de l'espaceur désiré à partir du 2,3-anhydride bicyclo[2.2.1]hept-5-ène ... 29
Figure 9. Comparaison des fonctions résultantes de la cycloaddition [3+2] ... 30
Figure 10. Dérivés potentiels de l’estérification de l’acide but-2-yne-1,4-dioïque ... 33
Figure 11. Réactifs nécessaires pour la double amidation sur l'acide but-2-yne-1,4-dioïque ... 39
Figure 12. Différents groupements protecteurs sur l'amine de la β-alanine ... 46
Figure 13. Structure de l’acide hept-6-ynoïque ... 49
Figure 14. Dendrimères fonctionnalisés G1 avec l'ADT pour le test de solubilité aqueuse ... 58
Figure 15. Dendrimères fonctionnalisés G2 avec l'ADT pour le test de solubilité aqueuse ... 59
Figure 16. Dendrimères fonctionnalisés G3 avec l'ADT pour le test de solubilité aqueuse ... 61
Figure 17. Produits secondaires potentiels de la CuAAC de l’hept-6-ynoate de RM-133 ... 65
Figure 18. Différence entre les structures des aminostéroïdes RM-133 et AH-38 ... 66
Figure 19. Courbe d'étalonnage de l'absorbance UV-Vis de l'AH-38 à 314 nm ... 70
Figure 20. Effet cytotoxique in vitro des dendrimères non-fonctionnalisés sur les cellules MCF-7 ... 72
Figure 21. Effet cytotoxique in vitro de l'AH-38 sur les cellules MCF-7 ... 73
Figure 22. Effet cytotoxique in vitro sur les cellules MCF-7 de l'AH-38 conjugué aux différentes générations du dendrimère ... 74
Figure 23. Tests in vivo de la biodisponibilité plasmatique de l'AH-38 libre mesurée à deux temps après une seule administration orale (per os) de l'AH-38 chez la souris (12,2 mg/kg; 0,22 mg/souris) ou ... 76
Figure 24. Structures des monomères pour la synthèse d'un dendrimère PEOT ... 80
XI
Liste des abréviations
AAC Cycloaddition entre un alcyne et un azoture ADT 5α-Androstan-3α-ol-17-one
AUC Aire sous la courbe β-Ala β-Alanine
Boc tert-Butoxycarbonyl Cbz Carboxybenzyl
CCM Chromatographie sur couche mince
CI50 Concentration pour inhiber à 50 % un processus biologique
DBU 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undéc-7-ène DIPEA Diisopropyléthylamine DMAP 4,4-Diméthylaminopyridine DMF N,N-Diméthylformamide DMSO Diméthylsulfoxide DMTMM Chlorure de 4-(4,6-diméthoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-méthylmorpholinium DOX Doxorubicine EDC 1-Éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide EPR Effet d’amélioration de la perméation et de la rétention Fmoc 9-Fluorénylméthoxycarbonyl
FBS Sérum fœtal de boeuf
XII HOBt 1-Hydroxybenzotriazole IR Infrarouge LC Chromatographie liquide MS Spectrométrie de masse MTX Méthotrexate NfF Fluorure de nonafluorobutanesulfonyle NMM N-Méthylmorpholine NMP N-Méthylpyrrolidone PAMAM Poly(amidoamine) PEG Polyéthylène glycol
PEOT «PolyEthyleneOxide Triazole» Per os Administration orale
RMN Résonance magnétique nucléaire SEC Chromatographie d’exclusion stérique SN2 Substitution nucléophile bimoléculaire
TBAF Fluorure de tétrabutylammonium TBDMS tert-Butyldiméthylsilyl
TFA Acide 2,2,2-trifluoroacétique THF Tétrahydrofurane
XIII
Remerciements
Je tiens à remercier mon directeur de recherche, le professeur Jean-François Morin, pour avoir cru en moi et de m’avoir permis de collaborer à l’avancement de la science durant les deux ans de ma maîtrise. Ce fut une expérience formatrice qui m’a appris à me connaître et à développer des aptitudes autant en tant que chercheur qu’en tant que membre d’un groupe. Je remercie également mon co-directeur, le professeur Donald Poirier, pour l’opportunité de travailler sur un projet motivant et pouvoir amener une preuve de concept qui pourrait se traduire par une réforme de la recherche d’un traitement contre le cancer. Je veux mentionner leurs bonnes écoutes, leurs disponibilités et leurs conseils lorsque j’ai eu des défis à surmonter. Un remerciement spécial est dédié à Philippe Dufour, M. Sc., puisqu’il a favorisé la collaboration entre les professeurs Morin et Poirier provenant de deux facultés différentes (Sciences et de génie et Médecine). En effet, Philippe, ayant fait un stage dans le groupe du Dr Poirier, connaissait les obstacles reliés au domaine des stéroïdes. À l'époque, il était professionnel de recherche dans le groupe du Dr Morin et a reconnu le potentiel des dendrimères pour résoudre les obstacles reliés à la biodisponibilité des stéroïdes.
J’aimerais aussi souligner la contribution du Dr René Maltais, professionnel de recherche dans le groupe du professeur Poirier, sans qui le projet aurait été beaucoup plus difficile. Il a su me conseiller et m’orienter sur l’approche à prendre face aux propriétés particulières des dérivés stéroïdiens. Il faut également que je remercie la Dre Jenny Roy qui a effectué les tests biologiques qui seront présentés dans ce mémoire. Je tiens aussi à remercier spécialement Arnaud qui a travaillé durant un an sur le même sujet que moi, nos discussions m’ont permis d’éviter de devenir fou et de pouvoir échanger pour faire avancer mon projet. Notre collaboration s’est transformée en amitié ce que je n’aurais pas cru possible au départ (Haha). J’aimerais aussi remercier Maxime qui a été mon mentor durant mes deux années, j’espère ne pas t’avoir trop fait souffrir avec mes tonnes de questions. Il m’est impossible d’oublier la contribution des autres membres du groupe : Antoine toujours prêt à parler de GoT, Audrey attentive et pleine de ressources, Joël présent avec le bon jeu de mots pour changer mon humeur, Charles-Olivier qui m’explose à chaque fois sur Fantasy NFL, Samuel avec le mot juste, Dandan avec ces expressions faciales et les stagiaires qui ont travaillées sur le projet, Médine et Chloé.
Je veux également remercier ma partenaire de vie Eliane pour son support, sa patience, ses encouragements et sa force de caractère pour me supporter tous les jours. Finalement, j’aimerais remercier ma famille, mon père André, ma mère Johanne et mon frère Jean-Philippe pour avoir cru en moi, quand moi-même je n’y croyais plus. Merci à tous pour votre participation de près ou de loin !
1
Chapitre 1. Introduction
1.1. La nanomédecine
1.1.1. Les molécules bioactives
Pendant plusieurs milliers d’années, les hommes se sont servis de la nature pour survivre. Ils se nourrissaient de fruits et de racines provenant de différentes plantes. Celles-ci contiennent des molécules bioactives, dont certaines aident au combat de maladies alors que d’autres peuvent causer des effets néfastes allant jusqu’à la mort. Or, avec l’expérience, les hommes ont appris quelles étaient les plantes curatives de certaines maladies et quelles étaient les plantes nocives. Dans le siècle dernier, les molécules bioactives ne proviennent plus seulement de la nature. Les scientifiques se sont mis à étudier les mécanismes d’action de ces molécules pour observer les effets de leurs interactions sur les cibles thérapeutiques affectées. Une cible thérapeutique est un élément, récepteur ou enzyme, d’un organisme vivant qui est stimulé ou inhibé par l’interaction d’un composé bioactif, tels des ligands endogènes, des médicaments naturels ou synthétiques.
De nos jours, la synthèse de composés bioactifs est la méthode favorisée pour développer des médicaments afin de traiter les maladies. Cependant, une majorité de produits sont des analogues provenant de molécules naturelles. L’intérêt de synthétiser des analogues d’un produit est d’en modifier sa structure pour en améliorer l’absorption en milieu physiologique, réduire la toxicité sur les cellules saines et augmenter l’activité sur la cible thérapeutique, et ce, en ajoutant ou enlevant des groupements fonctionnels.1 Ces médicaments potentiels doivent répondre à des normes concernant les propriétés
pharmacocinétiques appropriées pour protéger et améliorer la qualité de vie des patients. L’abréviation ADMET représente les concepts pharmacocinétiques suivants : l’absorption, la distribution, la métabolisation et l’excrétion. Ce sont des critères qui décrivent la disposition d’une molécule bioactive dans un organisme. Ils expriment les concentrations du produit dans les différents tissus et système circulatoire de l’organisme. Les résultats obtenus par ces critères permettent d’analyser la performance et l’efficacité d’un produit afin de juger sa capacité à devenir un médicament et son intérêt à poursuivre son développement pour des études cliniques.2
1.1.2. Les propriétés pharmacocinétiques
L’analyse de l’ADMETT d’un composé bioactif sert pour l’évaluation de sa fenêtre de concentration thérapeutique, c’est-à-dire l’intervalle entre la concentration plasmatique minimale pour avoir un effet thérapeutique et la concentration plasmatique maximale où se manifestent des effets secondaires
2
indésirables importants. La pharmacocinétique permet également d’étudier les modifications effectuées par l’organisme sur un médicament afin de déterminer sa posologie optimale.3
L’absorption est une notion importante puisqu’elle révèle si un produit bioactif administré se retrouve dans le système sanguin. De plus, le choix de la méthode d’administration joue un rôle important quant à la présence du composé dans la circulation systémique puisque, selon les propriétés physicochimiques d’une molécule, certaines méthodes d’administration sont plus efficaces que d’autres.4 Par exemple, le
bêta-bloquant «propanolol» permet une meilleure absorption dans le système lors d’une administration rectale qu’une administration orale puisque, dans ce cas, le propanolol est éliminé rapidement par le système gastro-intestinal. Le choix de la voie d’administration dépend aussi de la cible thérapeutique visée. Récemment, certains médicaments contraceptifs pour femmes ont été développés afin d’être introduits par voie vaginale.5 Il existe d’autres méthodes d’administration entre autres par voie nasale, intraveineuse,
intramusculaire, sous-cutanée, intrapéritonéale et intratrachéale.6,7
Suite à l’absorption d’un médicament, la distribution du produit s’effectue entre les cellules, les organes et les fluides comme le sang et la lymphe. La tendance d’un composé à se concentrer dans un milieu dépend de l’affinité entre les paramètres physiologiques et les propriétés physicochimiques de cette molécule particulière.
Les facteurs physiologiques modifient la vitesse de distribution d’un composé selon la fréquence cardiaque, la circulation sanguine locale, le volume des tissus et la perméabilité des membranes et des capillaires. De plus, le médicament est retrouvé plus rapidement dans les organes où il y a une circulation sanguine substantielle comme dans le foie, les reins et le cœur.8 Par la suite, la concentration du médicament
s’équilibre entre les tissus et le système sanguin dans un temps variant de quelques minutes à plusieurs heures.9 Les composés lipophiles, c’est-à-dire qui ont une bonne affinité avec les lipides présents dans le
gras, la peau et les muscles, ont besoin de plus de temps pour atteindre l’équilibre.
En ce qui concerne les propriétés physicochimiques, il existe quelques interactions importantes qui font varier la concentration plasmatique d’un produit sous sa forme libre, généralement sa forme active. Premièrement, la liaison avec une protéine plasmatique rend le transport dans le système sanguin plus aisé, mais cette interaction réduit le potentiel thérapeutique de la dose administrée puisqu’il diminue la concentration de produit actif. Aussi, l’accumulation de produit dans les tissus et les os atténue la concentration plasmatique ainsi que l’efficacité thérapeutique. L’étude de la distribution doit tenir compte de ces interactions pour calculer la dose à administrer afin que la concentration de produit bioactif absorbée dans le plasma se retrouve dans l’intervalle correspondant à la fenêtre thérapeutique.10
3
L’excrétion d’un composé dépend de ses propriétés physicochimiques intrinsèques comme la polarité ou le caractère lipophile.11 Effectivement, les composés polaires sont excrétés plus facilement puisqu’ils
traversent difficilement les membranes qui sont majoritairement constituées de lipides. Les produits et les métabolites éliminés sont retrouvés principalement dans l’urine, les sels et la bile, car ce sont les déchets produits par les organes d’élimination.12 Les reins filtrent les molécules bioactives exogènes non-liées à une
protéine plasmatique et les expulsent dans l’urine. Quant à lui, le foie occasionne la formation de métabolites avant le passage dans le système gastro-intestinal. Les molécules intactes et métabolisées parcourent le tube digestif jusqu’aux sels puis elles sont rejetées hors du corps. Durant le trajet, les composés peuvent être absorbés ou réabsorbés par diffusion dans les membranes pour accéder à la circulation systémique. Donc, la métabolisation des produits augmente la polarité des molécules réduisant l’absorption à cause de la faible affinité entre les composés polaires et les membranes. Les médicaments intacts et métabolisés peuvent aussi être excrétés par la salive, la sueur, les larmes et les cheveux.13
La métabolisation est un processus naturel pour augmenter la solubilité physiologique des molécules lipophiles, cela permet l’accessibilité au système sanguin et/ou l’élimination des composés exogènes. Le caractère lipophile d’un médicament, dans certains cas, est primordial afin d’atteindre un site thérapeutique lorsqu’il est nécessaire de traverser une membrane.14 Malgré qu’une partie de ces molécules lipophiles
soient excrétées directement, la biotransformation des composés bioactifs est essentielle pour l’expulsion du corps et l’arrêt de l’activité pharmacologique. En règle général, les médicaments sont bioactifs dès l’administration et les biotransformations subies changent les interactions avec la cible thérapeutique, ce qui réduit ou interrompt l’effet thérapeutique. Toutefois, dans certains cas, les médicaments sont préparés sous la forme de «pro-médicaments», il s’agit d’une stratégie modifiant leurs propriétés physicochimiques pour améliorer l’absorption du médicament dans le corps. La préparation des «pro-médicaments» altère l’activité pharmacologique des produits d’intérêt, ceux-ci nécessitent l’intervention des mécanismes de métabolisation pour recouvrer le médicament bioactif sur la cible thérapeutique. Parfois, la métabolisation améliore l’efficacité du traitement ou encore elle amène des effets secondaires indésirables. Pour ces raisons, une étude approfondie sur les métabolites formés doit aussi être effectuée pour s’assurer de maintenir l’équilibre entre une bonne efficacité de traitement et une faible toxicité.15
L’ADMET permet de comprendre les interactions entre un médicament et le corps, ce qui contribue à estimer la concentration plasmatique à l’état d’équilibre, c’est-à-dire la concentration plasmatique stabilisée sur une longue durée. Pour atteindre cet état, il est nécessaire de mesurer les paramètres gouvernant, la distribution du médicament dans le corps pour en déduire la posologie. Conséquemment, la biodisponibilité représente la fraction du médicament absorbé par le corps sur le total de la dose administrée. La clairance systémique exprime l’efficacité du corps à éliminer le produit bioactif qui a été absorbé dans le système.
4
Donc, la mise en commun de ces paramètres permet de calculer le temps de demi-vie, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que la concentration du médicament se réduise de moitié. Le temps de demi-vie permet de déterminer la fréquence d’administration nécessaire pour conserver une concentration plasmatique à l’état d’équilibre dans la fenêtre thérapeutique. Cependant, plusieurs produits avec des activités intéressantes ont de mauvaises propriétés pharmacocinétiques comme une faible biodisponibilité, une élimination rapide ou une métabolisation induisant de la toxicité.
1.1.3. Les nanomatériaux en médecine
L’éclosion des nanotechnologies amène une seconde chance à certains médicaments qui ont été mis à l’écart à cause de leurs propriétés pharmacocinétiques inadéquates. En effet, cette discipline se penche sur l’étude des méthodes de fabrication et de manipulation des structures de l’ordre du nanomètre. Une branche de la nanotechnologie est la synthèse et l’utilisation de nanotransporteurs, ceux-ci servent de plateformes pour le transport de composés bioactifs dans le corps dans le but d’améliorer les propriétés pharmacocinétiques de ces produits. Effectivement, diverses publications font état des études comparatives des propriétés pharmacocinétiques d’un médicament administré seul ou greffé sur une plateforme de transport.16 Le résultat de ces études a révélé que les nanotransporteurs ont un impact important sur les
différents paramètres pharmacocinétiques des médicaments qu’ils transportent. Ce concept suscite l’intérêt pour réutiliser des composés ayant une efficacité prometteuse, mais une pharmacocinétique indésirable. Il existe plusieurs types de nanotransporteurs, notamment les liposomes, les protéines, les nanoparticules métalliques, les polymères linéaires ou branchés ainsi que les dendrimères.17 Généralement, la plateforme
choisie lors d’une étude est liée à sa capacité à améliorer l’ADMET et réduire la toxicité d’un produit thérapeutique. Les nanostructures peuvent modifier spécifiquement un ou plusieurs paramètres pour rendre viable un composé bioactif. Les nanotransporteurs peuvent contribuer à l’amélioration de la solubilité en milieu physiologique, à la promotion de la sélectivité de la cible thérapeutique, à la réduction de la biotransformation en métabolites, à l’augmentation du temps de résidence dans le système sanguin et/ou à la réduction des effets secondaires. Les plateformes doivent avoir un caractère non-immunogène intrinsèque, c’est-à-dire que leurs structures ne provoquent pas de réponses immunitaires dans le corps. De plus, l’industrie pharmaceutique préfère recourir à des nanomatériaux ayant un faible coût de production et nécessitant peu d’étapes de synthèse ainsi qu’une bonne reproductibilité entre chaque lot. Les dendrimères sont des macromolécules organiques qui correspondent convenablement à ces caractéristiques recherchées par les pharmaceutiques pour être des bons nanotransporteurs. Dans la section suivante, les propriétés physicochimiques de cette famille de polymère seront détaillées ainsi que leurs capacités à modifier les propriétés pharmacocinétiques d’un composé bioactif.
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1.2. Les dendrimères
1.2.1. Historique des dendrimères
En 1985, la compagnie Dow Chemical a rapporté les travaux du Dr Donald A. Tomalia, maintenant professeur à l’Université de Pennsylvanie, concernant la première synthèse ainsi que la caractérisation d’une nouvelle macromolécule organique qu’il nommera dendrimère.18 Dans cet article, Tomalia explique
que les dendrimères sont une sous-famille des polymères, car ils possèdent des caractéristiques similaires. Toutefois, l’intérêt de ces nanostructures provient de leurs différences avec les polymères linéaires, soit leur symétrie presque parfaite, leur nombre important de branchements ainsi que la quantité et la densité des fonctions terminales. Depuis la découverte des dendrimères, de nombreuses recherches ont utilisé cette famille de macromolécules comme plateformes pour le transport de molécules thérapeutiques afin d’améliorer leurs propriétés physicochimiques.19
Le terme «dendrimère» provient du préfixe grec «dendron» et du suffixe «meros» qui représentent respectivement les mots «arbre» et «composé chimique». L’appellation pour ces nanostructures organiques est adaptée en raison de la forme arborescente unique à cette famille de composés chimiques. Cette particularité est reliée aux méthodes de synthèse qui donnent l’occasion de créer des polymères hyperbranchés avec un indice de polydispersité de 1, c’est-à-dire ayant tous la même taille et la même masse moléculaire. Les macromolécules organiques synthétiques ayant cette caractéristique sont considérées comme des polymères monodisperses. De plus, la synthèse d’un dendrimère peut être effectuée par deux méthodes, soit la méthode convergente et la méthode divergente. Les différents avantages et inconvénients de chaque méthode seront expliqués dans la section suivante.
1.2.2. Méthodes de synthèse
Les synthèses de dendrimères donnent des produits finaux fiables, car les deux méthodes sont reproductibles et fonctionnent selon le même principe, c’est-à-dire des étapes de synthèse itératives. La principale différence entre les méthodes provient de l’ordre des étapes de formation du dendrimère. En effet, la synthèse convergente commence en périphérie par la formation des branches, appelées dendrons, avant de se lier dans l’étape finale à la molécule de cœur du dendrimère. Quant à la synthèse divergente, elle se fait en commençant par le cœur, suivi par le développement symétrique des dendrons jusqu’à la périphérie. Les dendrimères sont décrits par génération, les différentes générations représentent le nombre de cycles de croissance effectué.
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La synthèse convergente débute par la formation des dendrons qui seront liés au cœur ultérieurement. Au départ, il faut déterminer ou former une molécule A comprenant un groupement fonctionnel qui servira de point focal et au moins deux autres fonctions qui seront les terminaisons du dendrimère final. Le point focal de A doit réagir avec un monomère B afin de permettre la croissance du dendron. L’unité de répétition B est constituée d’au moins trois fonctions comprenant un point focal comme pour la molécule A. Or, les terminaisons et le point focal qui composent A et B doivent être constitués de groupements fonctionnels différents afin d’éviter une réticulation incontrôlée. Généralement, les terminaisons de A et le point focal de B sont protégés pour les rendre inactifs (Figure 1).
Légende : TP = terminaison protégée (jaune), PFA = point focal activé (bleu), TA = terminaison activée (rouge), PFP = point focal protégé (vert) Figure 1. Exemple schématisé de monomères comportant deux terminaisons
pour la construction de la structure d'un dendrimère
Plus en détail, la réaction de croissance nécessite que le point focal de A soit préalablement activé pour réagir avec les terminaisons de B afin de former le dendron de G1 AxB, où «x» correspond au nombre de
terminaisons sur la molécule B. Les terminaisons de A ne doivent interagir avec aucun point focal, car cela occasionnerait une réticulation et formerait un polymère interbranché. La réaction de croissance doit donc être orthogonale, c’est-à-dire qu’elle est sélective entre le point focal de A et les terminaisons de B. Par la suite, une réaction d’activation du point focal sur le dendron de G1 est nécessaire pour poursuivre la croissance ou pour compléter le dendrimère en le greffant sur le cœur. Ainsi, le point focal activé peut réagir avec l’unité de répétition B pour former le dendron de G2 (AxB)xB ou se lier à la molécule de cœur C pour
aboutir avec le dendrimère (AxB)yC, où «y» représente le nombre de terminaisons de la molécule C. Les
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de croissance avec l’unité de répétition B. Lorsque la génération désirée est atteinte, le greffage avec C est perpétré comme expliqué ci-dessus pour obtenir le dendrimère voulu (Figure 2).
Légende : TP = terminaison protégée (jaune), PFA = point focal activé (bleu), TA = terminaison activée (rouge), PFP= point focal protégé (vert), PB = point de branchement (mauve), x = nombre de point de branchement,
y = nombre de dendrons branchés sur le coeur
Figure 2. Présentation de la synthèse d'un dendrimère par la méthode convergente
Les dendrimères obtenus par la méthode convergente sont plus purs que ceux formés par la méthode divergente, car le risque de réactions secondaires est moindre puisqu’il y a moins de sites réactionnels.20
De plus, les dendrons peuvent être purifiés plus facilement par colonne chromatographique sur gel de silice puisque leur polarité change selon la génération, ce qui permet une bonne séparation. L’élimination des
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dendrons incomplets et des monomères en excès améliore grandement la pureté du dendrimère final. Cependant, les dendrons sont greffés sur une molécule de cœur comportant plusieurs fonctions afin d’introduire le maximum de dendrons. Il y a une limitation au regard des générations élevées puisqu’ils induisent un encombrement stérique important résultant en une fonctionnalisation incomplète du cœur. Quant à la synthèse divergente, elle s’initie à partir d’une molécule de cœur C ayant au moins deux groupements fonctionnels (GF) permettant de réaliser des réactions orthogonales avec une unité de répétition B pour l’étape de croissance du dendrimère. Le monomère B doit contenir une fonction de branchement (FB) pouvant réagir avec les GFs sur la molécule de cœur ainsi que des terminaisons inactives (TI) avec cette FB afin d’éviter une réticulation incontrôlée. Pour débuter la formation du dendrimère, la première réaction est l'activation des GFs de C. L’étape de croissance se produit grâce à une réaction orthogonale entre le groupement fonctionnel actif (GFA) de C et la FB de B qui forme un point de branchement (PB). Suivant ces premières étapes, il y a formation de la G1 du dendrimère sous la forme de CBx, où «x» représente le nombre de GF sur C. Par la suite, l’étape d’activation des TIs du dendrimère
de G1 doit être effectuée pour : soit poursuivre la formation du dendrimère vers une génération supérieure ou soit fonctionnaliser les terminaisons de la génération actuelle afin d'obtenir la macromolécule finale. La synthèse du dendrimère peut être poursuivie en alternant les réactions d'activation et de croissance avec l’unité de répétition jusqu'à atteindre la génération désirée ou jusqu'à ce que l'encombrement stérique devienne trop important pour obtenir un produit monodisperse (Figure 3).
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Légende: GFI = groupement fonctionnel inactif (vert), GFA = groupement fonctionnel actif (bleu), FB = fonction de branchement (orange), TI = terminaison inactive (jaune),
PB = point de branchement (mauve), TA = terminaison activée (rouge),
x = nombre de groupements fonctionnels sur la molécule de coeur, y = nombre de terminaisons sur la molécule B Figure 3. Présentation de la synthèse d'un dendrimère par la méthode divergente
Par exemple, le poly(amidoamine) (PAMAM) peut être synthétisé par les deux méthodes de synthèse, mais la production industrielle de ce dendrimère est uniquement faite par la méthode divergente puisque cette voie alloue un chemin synthétique plus aisé ainsi qu'une purification efficace et peu coûteuse des différentes générations obtenues.21 En effet, ce dendrimère est formé en alternant l’addition de Michael pour
la croissance alors que l’activation est exécutée par une conversion d’un ester méthylique en amide. La réaction d’activation est problématique, car il y a possibilité de réactions interbranches ce qui engendre des imperfections et augmente l’indice de polymolécularité de l’échantillon. La purification du PAMAM doit être effectuée par dialyse à travers une membrane retenant les macromolécules solubles dans l’eau avec un rayon hydrodynamique supérieur à la limite de perméabilité de la membrane utilisée. Cette méthode est simple, mais nécessaire puisque le PAMAM est trop volumineux pour utiliser la technique de chromatographie sur gel de silice et que les affinités de solvant entre les monomères et la nanostructure sont similaires excluant la technique de recristallisation.
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1.2.3. Élimination des imperfections
La facilité du chemin synthétique de la synthèse divergente en fait la voie la plus viable pour les applications industrielles comme expliquée précédemment par l'exemple du PAMAM. Cependant, il faut trouver des stratégies synthétiques pour éviter la formation d’imperfections comme la présence de dimères, les réactions interbranches ou les branches incomplètes. En effet, toutes ces imperfections forment des nanostructures différentes de la macromolécule désirée et celles-ci ne peuvent pas être séparées par les méthodes de purification comme la dialyse puisque les membranes n'éliminent que les molécules possédant un rayon hydrodynamique inférieur à une limite déterminée.
Afin d'éviter la formation de ces imperfections, divers groupes de recherche travaillant sur les dendrimères se sont penchés sur les réactions de type «click». Ces réactions ont été classifiées par le Pr Sharpless dans un article de revue publié en 2001. Dans cet article, les critères nécessaires pour qu’une réaction fasse partie de cette catégorie y sont énoncés.22 Ainsi, une réaction «click» doit être modulable et applicable à
une large variété de substrats, mener à d’excellents rendements, réagir de manière stéréospécifique (pas nécessairement énantiospécifique) et générer exclusivement des produits secondaires inoffensifs ou encore aucun déchet réactionnel. De plus, ces réactions doivent satisfaire à des conditions afin d'être utilisées dans des procédés de fabrication industrielle. Notamment, elles doivent être insensibles à la présence d’oxygène ou d’humidité dans le milieu réactionnel, utiliser des réactifs de départ facilement accessibles, réagir dans un milieu sans solvant ou avec un solvant bénin et/ou facilement éliminé et enfin, ne pas impliquer de techniques chromatographiques pour la purification du produit réactionnel. Généralement, les réactions «clicks» sont plutôt purifiées par des techniques de recristallisation ou de distillation afin d’isoler le produit désiré. La réaction «click» la plus connue est sans nul doute la cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen catalysée par le cuivre entre un alcyne et un azoture (CuAAC). En effet, une multitude d'articles de revue couvrent l'étendue du potentiel de cette réaction autant dans le domaine pharmaceutique23, que dans celui
de la catalyse.24 La réaction de substitutions nucléophiles fait également partie de cette famille ainsi que la
cycloaddition [4+2] de Diels-Alder entre un diène et un diènophile. Finalement, cette catégorie comprend aussi les réactions d'addition sur des liaisons carbone-carbone insaturées comme, entres autres, l'époxydation et l'hydroxylation. Notamment, le couplage de fonctions thiols sur des liaisons insaturées a été étudié en profondeur puisqu'elle permet de former des thioéthers en se servant uniquement de l'énergie de rayons UV pour catalyser la réaction (Tableau 1).25
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Tableau 1. Caractéristiques réactionnelles des trois réactions «clickks»26
Réaction «clickk» Diels-Alder CuAAC Thiol-ène
Sans métal Oui Non Oui
Sans solvant Non Non Oui Compatible avec H2O Oui Oui Oui
Compatible avec O2 Oui Oui Oui
Initiation contrôlée Oui Non Oui
Réversible Oui Non Non
En somme, les réactions «clicks» sont prometteuses pour réduire les défauts structurels rencontrés lors de la synthèse vers les générations plus élevées d'un dendrimère. Le haut taux d'efficacité de ces réactions diminue la probabilité d’obtenir des branches incomplètes. De plus, la sélectivité des réactions orthogonales est idéale pour la croissance du dendrimère, car la présence de dimères et les réactions interbranches sont impossibles. Finalement, les conditions réactionnelles utilisées pour les réactions «clicks» sont versatiles, écologiques et douces sur une large variété de substrats.
1.2.4. Greffage des molécules bioactives
Comme il a été abordé précédemment, les dendrimères ont des propriétés intéressantes sur la diversité de la structure arborescente, notamment par rapport à leur reproductibilité. Cependant, la quantité de fonctions terminales et la taille de la nanostructure peuvent aussi être contrôlées selon la génération atteinte. Les branches dans la structure forment des cavités, ces espaces libres sont plus importants lorsque les générations sont élevées. Un aspect particulièrement intéressant de ces cavités que l'on surnomme vide interbranche est leur capacité à encapsuler des molécules et les emprisonner dans la structure du dendrimère. En somme, les dendrimères sont potentiellement intéressants comme nanotransporteurs puisque le nombre important de groupements fonctionnels en périphérie du dendrimère et le vide interbranche conduisent à deux méthodes possibles de chargement pour des composés bioactifs ainsi qu'à un contrôle sur le taux de chargement.
L’encapsulation a été la première stratégie envisagée pour le transport de médicament en utilisant les dendrimères comme plateformes. Celle-ci prend avantage des interactions électrostatiques, des interactions hydrophobes et des liaisons hydrogènes entre les composés bioactifs et la composition de la nanostructure du dendrimère. De plus, la présence du vide interbranche favorise la formation d’un complexe «dendrimère-médicament» puisque la molécule d’intérêt peut y entrer et y être retenue.27 En effet, grâce à différents
stimuli, les branches des dendrimères ont la possibilité de moduler leur ouverture pour permettre au dendrimère de mieux incorporer des petites molécules dans le vide interbranche. Les stimuli rapportés dans la littérature comprennent les différences d’affinité de solvants, de pH, de températures et le rayonnement
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UV. Ces stimuli peuvent aussi être utilisés pour contrôler le moment de la libération afin de s’assurer que les médicaments atteignent la cible thérapeutique.28
Cette approche est généralement utilisée pour améliorer la solubilité de médicaments hydrophobes à cause des différentes interactions non-covalentes entre un produit bioactif et la composition du dendrimère. Cependant, le volume du vide interbranche ne permet que l’utilisation de molécules avec une faible masse moléculaire ainsi qu’un rayon hydrodynamique de faible envergure pour accomplir l’encapsulation. Le groupe du professeur Patrice Hildgen a démontré qu’un complexe non-covalent de «médicament-dendrimère» est instable en milieu physiologique, car près de 80% du produit bioactif est libéré dans les premières heures suite à l’administration provoquant une augmentation importante de la concentration dans les systèmes circulatoires.29 Afin de surmonter cette barrière, certains groupes ont proposé d’utiliser les
stimuli présentés précédemment pour contrôler la vitesse et l’emplacement de la libération des molécules encapsulées.
La seconde méthode de chargement consiste à former une liaison covalente entre les terminaisons du dendrimère et un composé d'intérêt. Néanmoins, la liaison doit être stable durant le transport jusqu’à la cible thérapeutique, maie elle doit être clivée à l’aide d’enzymes pour en permettre la libération dans le corps. Cette approche apporte un meilleur contrôle sur les propriétés pharmacocinétiques du médicament contrairement à l’encapsulation. Cependant, les propriétés du dendrimère conjugué au médicament sont différentes de celles du médicament seul, ce qui force une nouvelle étude pharmacocinétique pour déterminer les différences de toxicité induite par le médicament, le temps de circulation et de biodisponibilité. D'autant plus que la conjugaison entre un dendrimère et un composé bioactif permet de moduler les propriétés physicochimiques notamment la solubilité, le rayon hydrodynamique et le taux de chargement sur la macromolécule.30 Le contrôle sur les propriétés physicochimiques est avantageux pour
modifier les nanostructures afin d'obtenir des propriétés pharmacocinétiques améliorées par rapport au médicament seul. Les sections suivantes expliqueront l’influence des propriétés physicochimiques des «pro-médicaments» sur les propriétés pharmacocinétiques.
1.2.5. Influence sur la solubilité physiologique
Les plateformes utilisées pour le transport de molécules bioactives dans le système sanguin requièrent une bonne solubilité intrinsèque en milieu aqueux. Plusieurs macromolécules sont destinées à améliorer la solubilité de médicaments hydrophobes pour rectifier leurs propriétés pharmacocinétiques défaillantes, notamment les dendrimères. Dans le cas d'un chargement par liaison covalente, l'obstacle principal de l'utilisation d'un dendrimère est la perte de solubilité aqueuse induite par le greffage des molécules
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hydrophobes en périphérie de la nanostructure. Dans la littérature, certaines solutions sont proposées, premièrement, le greffage des composés hydrophobes sur un nombre prédéterminé de terminaisons selon une méthode statistique, puis l’ajout de groupements hydrophiles sur les fonctions terminales non-réagies.31
Une seconde stratégie est l’utilisation d’une molécule d’espacement entre la molécule bioactive et le dendrimère; sur cette molécule, une fonction hydrophile doit être présente afin d’induire de la solubilité dans un milieu aqueux.32
Les deux stratégies exposées contraignent à l’insertion de groupements hydrophiles. Deux groupements fonctionnels fréquemment utilisés sont les chaînes de polyéthylène glycol (PEG) et les fonctions pouvant former des sels comme les acides carboxyliques ou les amines. En premier lieu, comme rapporté par le professeur Ho Lun Wong, le caractère amphiphile des PEGs permet d’améliorer la solubilité aqueuse des nanotransporteurs avec une surface hydrophobe et de renforcer certaines propriétés pharmacocinétiques.33
Il explique que les nanotransporteurs avec une surface hydrophobe ont tendance à être capturés par les protéines plasmatiques qui les amènent jusqu’au foie pour les éliminer. D'un autre côté, les plateformes avec une surface PEGylées possèdent un temps de circulation dans le système sanguin plus long, car elles ne sont pas repérées par ces protéines. Toutefois, il faut prendre en considération qu’une densité trop importante de PEGs sur en périphérie d'un nanotransporteur accorde un caractère hydrophile trop important réduisant ses capacités à pénétrer dans les membranes.
Quant aux groupements fonctionnels ionisables, comme décrit par Arrhenius, ils aident à la solubilité aqueuse de molécules organiques hydrophobes par la formation d’ions et la création d’interactions électrostatiques entre les molécules d’eau et les ions créés. Les interactions forment un équilibre dynamique nécessaire pour la solubilité aqueuse de composés organiques hydrophobes. Par exemple, une fonction acide carboxylique en milieu acide est plus hydrophobe, mais en condition basique, elle forme un sel de carboxylate ionique qui induit une solubilité aqueuse à la molécule organique hydrophobe à l’aide des interactions électrostatiques entre l’anion et les molécules d’eau. Les terminaisons de type cationique comme les ammoniums sont reconnues pour déstabiliser la membrane biologique des cellules ce qui amène des effets secondaires reliés à cette cytotoxicité. En ce qui concerne les terminaisons anioniques, elles n’interagissent pas avec les membranes puisque celles-ci possèdent une charge négative. Ainsi, la toxicité induite par les macromolécules anioniques est significativement inférieure à celles cationiques.34
1.2.6. Effet sur les propriétés pharmacocinétiques
Les propriétés pharmacocinétiques d’un composé bioactif sont toujours évaluées pour déterminer sa capacité à être assimilé par des patients. Cependant, il arrive fréquemment qu'un ou plusieurs paramètres
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soient inadaptés empêchant de poursuivre les études cliniques sur ces composés. Dans la section 1.2.4, les avantages et inconvénients du chargement de médicaments sur un dendrimère ont été discutés, notamment par rapport à la possibilité de moduler les propriétés pharmacocinétiques. Il a été rapporté que les propriétés pharmacocinétiques d’un médicament lié de façon covalente sur un nanotransporteur sont altérées par rapport au médicament seul. Une nouvelle évaluation des propriétés pharmacocinétiques du médicament conjugué est nécessaire pour connaître les nouvelles valeurs de l’ADMET et les interactions avec la cible thérapeutique.35
Les dendrimères sont des plateformes intéressantes à cause de leurs propriétés physicochimiques qui habilitent les chercheurs à moduler les propriétés pharmacocinétiques d’un médicament en faisant varier certains paramètres. Les paramètres pouvant être variés sont le caractère hydrophile, la charge globale de la macromolécule, le rayon hydrodynamique de la nanostructure et la quantité de produits bioactifs greffés sur la macromolécule.36 L’optimisation de ces paramètres peut améliorer l’absorption du médicament dans
le système circulatoire, réduire l’élimination du corps et/ou favoriser la sélectivité de la biodistribution. L’augmentation de la biodisponibilité d’un médicament conjugué s’exprime par une meilleure efficacité thérapeutique et une diminution des effets secondaires néfastes.37
L’amélioration de la solubilité aqueuse d’une molécule hydrophobe favorise son absorption dans le système sanguin avec différentes méthodes d’administration. La conjugaison avec un dendrimère augmente la quantité de produits dans le sang, ce qui permet de diminuer la dose à administrer pour obtenir une meilleure efficacité thérapeutique ou similaire. La liaison covalente à une plateforme empêche le produit bioactif de précipiter permettant un déplacement fluide dans le système sanguin, augmentant ainsi les probabilités d’atteindre la cible thérapeutique. Un meilleur caractère hydrophile octroie une biodistribution plus étendue dans le système, tout en diminuant l’accumulation non-sélective dans différents tissus.38
Le rayon hydrodynamique d’un dendrimère se contrôle par le nombre de cycles d’étapes de croissance et d’activation puisque pour les générations élevées, les dendrons sont plus volumineux. Le contrôle du concept est intéressant pour le transport de médicaments. Par exemple, lorsque les plateformes possèdent un rayon hydrodynamique supérieur au seuil maximum à l’entrée des reins, la clairance rénale des médicaments est atténuée. La diminution de la clairance prolonge le temps de résidence des «pro-médicaments» et réduit la fréquence d’administration tout en maintenant une concentration plasmatique dans la fenêtre thérapeutique. De plus, le choix de la génération permet de définir le nombre de terminaisons d'un dendrimère, donc de contrôler le taux de chargement des composés bioactifs. Une génération plus élevée génère un encombrement stérique plus important autour du médicament conjugué, la plateforme sert ainsi de bouclier contre les protéines plasmatiques qui éliminent les composés exogènes
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du système sanguin. De plus, le rayon hydrodynamique d’une nanostructure contrôle le ciblage passif vers certains tissus grâce à l’effet d’amélioration de la perméation et de la rétention (EPR) (Voir Section 1.2.7.).39
En somme, la meilleure absorption du médicament, la réduction de la clairance systémique et l’inactivation des protéines plasmatiques donnent une extension de la biodisponibilité du médicament, tout cela grâce à la conjugaison en périphérie d’un dendrimère. De plus, la libération plus lente est provoquée par les enzymes qui s’attaquent aux liaisons covalentes entre les molécules bioactives et le dendrimère pour amener une meilleure stabilité de la concentration plasmatique. Une concentration plasmatique stable sur une longue période de temps réduit la posologie et favorise le bien-être des patients. Finalement, l’effet stérique de la nanostructure sur les médicaments est avantageux puisqu'il réduit les interactions possibles avec les cellules saines diminuant la manifestation et l'intensité des effets secondaires.40
1.2.7. Effet EPR
L’effet EPR a été découvert par le professeur Hiroshi Maeda en 1986, il consiste en un ciblage passif de macromolécules ayant un rayon hydrodynamique assez élevé envers certains tissus. Dans le premier article de son groupe sur le sujet, les membres ont démontré qu’il existait une sélectivité passive des macromolécules envers les tissus tumoraux.41 Ils ont aussi observé que des protéines avec un grand rayon
hydrodynamique avaient tendance à s’accumuler dans les tumeurs solides. Dans un article ultérieur, professeur Maeda a expliqué que l’effet EPR est favorisé pour le traitement du cancer par deux facteurs qui sont présents dans les tissus tumoraux.42 Premièrement, l’hypervascularisation des tumeurs, c’est-à-dire la
formation excessive de vaisseaux sanguins, permet un accès facilité vers les tumeurs des molécules transportées par le système sanguin, même dans le cas de nanostructures puisque les membranes des cellules cancéreuses possèdent des espaces interstitiels supérieurs à 100 nm. En second lieu, le drainage lymphatique est insuffisant dans les tissus tumoraux diminuant la capacité d'éliminer des composés exogènes volumineux. Ce second facteur résulte en une accumulation des nanostructures possédant un grand rayon hydrodynamique dans les tumeurs solides. L’effet EPR est étroitement relié au traitement de cancers qui développent des tumeurs, mais cette stratégie peut aussi être appliquée à des cibles thérapeutiques présentes dans des tissus ayant les deux caractéristiques suivantes, soit une perméabilité excessive pour permettre une bonne pénétration des macromolécules et une mauvaise élimination de ces dernières.
En 2011, le professeur Vladimir Torchilin de l’Université Northeastern a publié un article de revue sur les différents types de macromolécules pouvant prodiguer l’effet EPR et a décrit leurs rôles.43 Dans ce
16
manuscrit, il confirme que l’effet EPR consiste en une sélectivité passive de divers nanomatériaux ayant de larges rayons hydrodynamiques et il précise que leurs tailles doivent être comprises entre 10 nm et 500 nm. En effet, contrairement aux agents pharmaceutiques avec un faible poids moléculaire et de faibles rayons hydrodynamiques, les tailles des nanostructures permettent l’accumulation dans les tumeurs suite au passage dans les espaces interstitiels. Dû au mécanisme de purification inefficace des cellules tumorales, elles sont incapables d’éliminer les agrégats formés près de la cible thérapeutique. Les nanotransporteurs libèrent les composés bioactifs qui provoquent l’apoptose des cellules cancéreuses, c’est-à-dire la mort d’une cellule en réponse à un signal, un processus permettant de traiter sélectivement le cancer.44
Finalement, le professeur Maeda et son groupe ont rapporté les améliorations et les limitations de l’effet EPR. Dans un article de révision publié en 2011, ils expliquent que les nanotransporteurs doivent avoir un long temps de résidence et une concentration plasmatique élevée pour obtenir de bons résultats.45 De plus,
ils ont démontré que les macromolécules polycationiques sont excrétées plus rapidement puisqu’elles interagissent avec la surface du système réticuloendothélial, ce dernier sert à l’évacuation des produits exogènes du système sanguin. Ainsi, les macromolécules neutres ou anioniques sont présentes plus longtemps dans le sang augmentant les chances des nanotransporteurs de s'accumuler dans les tumeurs. Comme il a été discuté à la section 1.2.6., la PEGylation de la surface d'une nanostructure est une méthode alternative pour conserver les macromolécules dans le système circulatoire plus longtemps. En effet, la nanostructure obtenue suite à la PEGylation passe inaperçue dans le système sanguin. En effet, il y a formation d'une barrière hydratée qui procure un encombrement stérique face aux phagocytes, empêchant ainsi l’élimination de la macromolécule.
1.2.8. Efficacité thérapeutique contre le cancer
L’amélioration de la solubilité physiologique (section 1.2.4.) à l’aide de macromolécules favorise une biodisponibilité sélective et un déplacement fluide des médicaments prometteurs. Les nanotransporteurs réduisent les interactions entre le système métabolique et les composés d’intérêt, ce qui augmente le temps de circulation dans le système sanguin puisque l'élimination est retardée. En accordance avec l’effet EPR (section 1.2.7), les nanostructures bénéficiant d’un temps de passage prolongé dans le système circulatoire s’accumulent dans les tissus tumoraux. La sélectivité envers ces tissus bonifie la fenêtre thérapeutique pour le traitement des cancers, donc la concentration plasmatique minimale pour obtenir un effet thérapeutique est réduite, alors que la concentration maximale avant d’observer des effets secondaires néfastes est augmentée.
17
L’efficacité d’un traitement est mesurée par la concentration requise d’un produit bioactif pour inhiber de moitié (50%) un processus biologique (CI50). Par exemple, une faible valeur de CI50 représente un composé
efficace pour inhiber le processus ciblé et une grande valeur de CI50 démontre une faible activité inhibitrice
de la molécule face à la cible thérapeutique. Pour le traitement des cancers, le processus biologique analysé pour déterminer le CI50 d'une molécule d'intérêt est l'inhibition de la prolifération des cellules
cancéreuses en présence de ce produit bioactif par rapport à un échantillon de contrôle. Dernièrement, plusieurs groupes de recherche ont étudié la modification de l’activité inhibitrice de médicaments commerciaux suite à la liaison covalente en périphérie d’un dendrimère. En règle générale, l’utilisation de plateformes de transport améliore l’efficacité thérapeutique des médicaments commerciaux.46
Par exemple, le groupe du professeur Rangaramanujam Kannan de l’Université Wayne State a présenté les résultats relatifs à la liaison du méthotrexate (MTX) (Figure 4A), un antimétabolite utilisé pour traiter le cancer, sur des dendrimères PAMAM (Figure 4B).47 Des tests in vitro ont été effectués sur plusieurs lignées
cancéreuses et les résultats démontrent une amélioration importante de l’activité inhibitrice grâce à la conjugaison sur le dendrimère PAMAM. Effectivement, cette étude démontre non seulement que le MTX conjugué au dendrimère est plus efficace que le MTX seul, mais qu'il permet aussi d’améliorer le traitement des cellules résistantes au traitement par le MTX. Le groupe a synthétisé un dendrimère de G2.5 avec une moyenne de 0,4 molécule de MTX lié à la surface de chaque nanostructure. Par la suite, des études de prolifération cellulaire comparant le «pro-médicament» et le MTX seul ont été effectuées sur deux lignées cancéreuses CEM, l'une sensible au traitement de MTX (CCRF-CEM) et l'autre résistante à ce traitement (CEM/MTX). Pour l'étude sur la souche CCRF-CEM, le MTX conjugué au dendrimère se montre trois fois plus efficace pour réduire la prolifération des cellules que le MTX employé seul. Quant à la souche résistante, l’activité inhibitrice du «pro-médicament» est 8 fois plus importante que le produit commercial. Une étude similaire a été réalisée sur la lignée cancéreuse CHO, les résultats montrent que l’activité inhibitrice avec ou sans plateforme de transport est du même ordre sur la souche sensible au MTX (PC43/10). Cependant, l’efficacité sur la souche de cellules résistantes au MTX se révèle 24 fois meilleure pour le MTX greffé sur le PAMAM par rapport à l'administration du MTX seul.
18
Figure 4. A) Structure du médicament méthotrexate B) Structures des dendrimères PAMAM G1,0 et G1,5
Pour second exemple, le groupe du professeur Jean M. J. Fréchet de l’Université Berkley a rapporté la synthèse d’un dendrimère de polyester de G1 (Figure 5A) où ils ont lié en moyenne deux molécules du sel de la doxorubicine avec l’acide chlorhydrique (DOX●HCl) (Figure 5B), un médicament commercial de
première ligne contre différentes lignées cancéreuses. Par la suite, ils ont fonctionnalisé les terminaisons restantes du dendrimère avec des groupements PEGs pour promouvoir la solubilité en milieu biologique.48
L'inhibition de la prolifération cellulaire requiert des concentrations 20 fois plus faibles pour la DOX conjuguée au dendrimère pour atteindre la même efficacité de traitement que la DOX administrée seule. Certains articles de revue rassemblent d'autres études démontrant les bénéfices thérapeutiques de la formation de liaisons covalentes de médicaments commerciaux sur différentes structures dendritiques.49,50
Figure 5. A) Dendrimère de polyester G1,0 B) Structure de la DOX●HCl
1.2.9. Toxicité des médicaments anticancéreux
L’amélioration de l’efficacité thérapeutique des médicaments anticancéreux par la conjugaison à une plateforme permet de réduire la posologie d’un traitement. Ainsi, la quantité et la fréquence d’administration
