La nanomédecine est l’utilisation des nanotechnologies pour la prévention, le diagnostic et le traitement de maladies. Parmi ses applications, l’encapsulation de principes actifs joue un rôle prépondérant dans le développement de nouvelles thérapies et de nouveaux diagnostics. Elle est intimement liée à l’essor de la chimie de synthèse qui a permis à la médecine de faire un bond en avant via la conception de molécules actives plus complexes. Cela a eu pour effet de produire des molécules bien souvent peu solubles dans l’eau, les rendant incompatibles avec une administration directe par voie orale ou par injection. Dans ce cas, il est possible de passer par une substance tierce qui servira d’interface entre le médicament et l’organisme. Une des manières de procéder est d’utiliser des objets de taille de l’ordre de la dizaine à la centaine de nanomètre, un nanovecteur, pouvant accueillir en son sein la substance active et l’acheminer à sa cible. Le vecteur idéal est non-toxique, biodégradable, avec un temps de circulation dans l’organisme assez long pour assurer une bonne distribution de la substance active.
De nombreuses familles de vecteurs ont été développées, se différenciant notamment par leur composition. Celle nous intéressant est la famille des nanoparticules à base de polymère et notamment à base de copolymères à blocs amphiphiles. Ces molécules peuvent s’auto-assembler en milieu aqueux pour former des objets stables présentant des compartiments hydrophobes et hydrophiles, ce qui leur permet d’accueillir tous types de molécules.
Une des thérapies contre le cancer pour laquelle l’encapsulation de principe actif présente un grand intérêt est la thérapie photodynamique (PDT). La PDT repose sur l’utilisation de molécules, appelées photosensibilisateurs, capables sous irradiation lumineuse de produire des espèces réactives de l’oxygène, entrainant la mort des cellules de manière localisée. De manière générale, les photosensibilisateurs sont des molécules très peu solubles dans l’eau. Des études sur des vecteurs encapsulant des photosensibilisateurs ont été menées et ont montré une augmentation de leur efficacité, allant jusqu’à leur approbation par les autorités de santé. Le développement de nouvelles formulations est toujours en cours mais il est très souvent compliqué de savoir quel paramètre changer pour améliorer l’efficacité de la formulation.
Nanomédecine
Contexte appliqué au cancer
Selon l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), en 2015 le cancer était l’une des deux premières causes de décès avant 70 ans dans 91 des 172 pays référencés et à la troisième ou quatrième position dans 22 autres pays . En 2018, 18,1 millions de nouveaux cas de cancer ont été déclarés dans le monde contre 12,7 millions en 2008. Cette augmentation peut être due à de nombreuses causes (effets de l’environnement, dégradation de l’hygiène de vie, diagnostics plus précoces et plus efficaces, …). Une fois le diagnostic établi, les principales techniques pour traiter un cancer sont la chirurgie, la chimiothérapie, la radiothérapie, la thérapie hormonales et la thérapie ciblée. Elles sont généralement utilisées en complément les unes des autres. Hormis la chirurgie et la radiothérapie, toutes les autres formes de traitement reposent sur l’utilisation d’une ou plusieurs substances actives qui auront pour effets de détruire les cellules cancéreuses ou de retarder leur croissance.
Ces substances actives sont souvent très peu solubles dans l’eau car relativement hydrophobes. Cette hydrophobicité est intrinsèque au développement même des principes actifs. En effet, il a été montré que le couplage entre un récepteur et sa cible était guidé en partie par des interactions hydrophobes , ce qui tend à pousser le développement de nouvelles substances actives vers des molécules plus hydrophobes. Une autre raison possible de cette insolubilité peut être la nature d’acide faible ou de base faible des molécules, les rendant alors insolubles sur certaines gammes de pH. A l’heure actuelle, 90% des substances actives en cours de développement sont peu soluble dans l’eau.
En fonction du mode d’administration du médicament, principalement par voie orale ou intraveineuse, il faudra faire face à différentes complications lors de l’utilisation de ces substances peu solubles. Lors d’administration par voie orale, une solubilité trop faible ou une dissolution trop lente de la substance active ralentie son assimilation par le patient, ce qui va diminuer la concentration en principe actif dans le sang. Il en est de même pour les administrations par voie intraveineuse si la substance active est présente en trop faible quantité à cause de sa faible solubilité dans le sang, sous forme d’agrégats ou de cristaux se dissolvant lentement. Une trop faible concentration en principe actif disponible dans le sang va nécessiter soit d’augmenter la quantité initiale de substance active soit d’augmenter le temps de passage de la substance dans l’organisme avec le risque d’augmenter en conséquence la probabilité d’effets secondaires souvent associé aux principes actifs utilisés dans le traitement de cancers.
Solutions pour améliorer la distribution d’une substance active à l’organisme
Plusieurs méthodes existent pour améliorer la distribution d’une substance active, soit en augmentant sa solubilité ou en augmentant son assimilation par l’organisme. La méthode utilisée va dépendre des propriétés chimiques des molécules à solubiliser, notamment de leur hydrophobicité ou de leur pKa dans le cas d’acides ou de bases faibles.
Formation de sels et modification locale du pH
Près de 70% des substances actives présentes sur la liste des substances actives essentielles de l’OMS sont ionisables à un pH situé entre 2 et 12 . En fonction du mode et de la zone d’administration du médicament, la solubilité de ces substances variera fortement. Il est possible de contrôler cette solubilité en adjoignant à la substance active un contre-ion. De manière générale, les formes salines d’une substance active ont une solubilité plus élevée que celle de l’acide ou de la base libre . En choisissant soigneusement le contre-ion, il est possible de moduler la solubilité du sel obtenu en fonction du pH. Cette méthode est particulièrement utilisée pour des formulations de substances actives administrées par voie orale. En utilisant les différences de pH au sein de l’appareil digestif, il est possible de choisir un contre-ion de manière à ce que le sel obtenu se solubilise préférentiellement dans une des parties de l’appareil digestif. Il est aussi possible d’adjoindre à la substance active un tampon qui sera choisi de manière à ramener le pH local dans une gamme adaptée à une bonne solubilité de la substance active. Ces tampons sont adaptés à la fois aux formulations à administration orale ou intraveineuse .
Contrôle de la cristallisation du principe actif
Dans les cas où la molécule active n’est pas ionisable, il est parfois possible de l’obtenir sous forme cristalline. En contrôlant la manière dont elle cristallise, il est possible d’obtenir un polymorphe avec la solubilité voulue . Il est aussi possible de cocristalliser le principe actif avec un autre composé qui se solubilisera dans les conditions voulues et entrainera la dispersion et la dissolution de la substance active .
Utilisation de cosolvants et de tensioactifs
Lorsque la solubilité de la substance active ne dépend pas du pH ou que les méthodes précédentes ne suffisent pas pour atteindre la concentration désirée, il existe d’autres manières pour augmenter la concentration en principe actif. Une possibilité est de lui adjoindre un cosolvant, solvant organique miscible à l’eau, qui changera localement les propriétés physico-chimiques du milieu pour augmenter la solubilité du principe actif. Les cosolvants les plus couramment utilisés sont l’éthanol, le propylène glycol, la glycérine ou encore des polyéthylène glycol de petit poids moléculaire. Un des inconvénients de l’utilisation de cosolvant est qu’ils peuvent avoir des effets délétères sur l’organisme, qu’ils soient administrés par voie orale ou par injection. A cause de cela, ils doivent être utilisé en petit volume concentré ou dilué dans une solution aqueuse. Une manière de diminuer la quantité de cosolvant nécessaire pour solubiliser une substance active est de l’utiliser conjointement à des tensioactifs non-ioniques. Parmi les tensioactifs non-ioniques très utilisés pour solubiliser des principes actifs on retrouve les molécules de la famille des Span (esters de sorbitane) et des Tween (esters de sorbitane pegylé) ou encore du Kolliphor/Cremophor (mélange principalement de mono, di et triesters d’acides gras, extraits de l’huile de ricin, pégylés). Les tensioactifs permettront d’obtenir micelles et émulsions qui pourront alors servir de réservoir hydrophobe pour solubiliser le principe actif. Cette méthode, étudiée et utilisée depuis des années, entre dans la fabrication de médicaments anticancéreux commerciaux tels que le Taxol , solution de paclitaxel, de Kolliphor et d’éthanol, ou encore le Taxotere , solution de doxatel, de tween 80 et d’éthanol. Elle nécessite tout de même de diluer la solution avant de l’injecter mais, malgré cette dilution, il subsiste toujours des effets secondaires liés aux cosolvants et aux tensioactifs en circulation dans l’organisme.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Contexte bibliographique
A. Nanomédecine
1. Contexte appliqué au cancer
2. Solutions pour améliorer la distribution d’une substance active à l’organisme
a) Formation de sels et modification locale du pH
b) Contrôle de la cristallisation du principe actif
c) Utilisation de cosolvants et de tensioactifs
d) Utilisation de nanovecteurs
e) Classification des nanovecteurs
(1) Nanovecteurs inorganiques
(a) Nanoparticules de silice
(b) Nanoparticules d’or
(c) Oxydes de fer
(d) Fullerène, graphène et nanotubes de carbones
(2) Nanovecteurs organiques
(a) Liposomes
(b) Nanovecteurs à base de polymères
f) Caractérisation d’auto-assemblages à base de copolymères
B. La thérapie photodynamique
1. Origine historique
a) La photothérapie
b) La thérapie photodynamique
2. Principe
3. Les photosensibilisateurs
a) Propriétés du photosensibilisateur idéal
b) Photosensibilisateurs de première génération
c) Photosensibilisateurs de seconde génération
d) Photosensibilisateurs de troisième génération
e) Vectorisation de photosensibilisateurs
f) Encapsulation des photosensibilisateurs
C. Interactions entre nanovecteurs et membranes
1. La membrane cellulaire
a) Les lipides
(1) Phosphoglycérides
(2) Sphingolipides
(3) Stérols
(4) Composition en lipides de la membrane
b) Les protéines membranaires
c) Particularité des procaryotes
2. Effets de nanovecteurs à base de copolymère sur des cellules
a) Cultures cellulaires
(1) Type de cellules
(2) Méthode de culture
b) Mesures sur des cellules
3. Les modèles de membranes
a) Types de modèles de membranes
(1) Géométrie
(a) Modèles de membranes sphériques
(b) Modèles de membranes planes
(2) Composition
4. Méthode de caractérisation des membranes modèles
a) Techniques de diffusion
b) Microscopie
c) Calorimétrie
d) Tension de surface
e) Spectroscopie
f) Autres techniques de caractérisation
5. Interactions entre membranes et nanovecteurs à base de copolymères à blocs
a) Modélisation par dynamique moléculaire
b) Mesures sur des monocouches lipidiques
c) Mesures sur des bicouches lipidiques supportées
d) Mesures sur des liposomes
D. Objectifs de la thèse
Chapitre II : Etude des propriétés physico-chimiques de nanovecteurs à base de copolymères à blocs encapsulant un photosensibilisateur
A. Propriétés spectroscopiques
B. Affinité du phéophorbide-a pour les différents types d’objets
C. Transfert du phéophorbide-a des micelles vers les modèles de membranes
1. Mesures par fluorescence
2. Etude d’un mélange de micelles et de liposomes par AF4
D. Conclusion
Chapitre III : Etude des effets sur des modèles de membranes de nanovecteurs à base de copolymères à blocs encapsulant un photosensibilisateur sous irradiation lumineuse
A. Suivi des modifications de perméabilité des modèles de membranes à la suite d’une irradiation lumineuse
1. Recherche des conditions expérimentales
2. Mesure de la production d’oxygène singulet
3. Suivi des modifications de perméabilité des membranes
B. Suivi de l’oxydation des modèles de membranes
C. Conclusion
Conclusions générales
