In this present thesis Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPIONs) with 9 nm in diameter were selected as nanocarriers in order to study their potential application as drug delivery systems. Therefore the aim of the study was to demonstrate the proof of concept by establishing an efficient system of drug delivery, which would be a valuable tool in biomedical applications, such as the treatement of cancer, by reducing the side effects due to administration of a high concentration of therapeutic agents.
As demonstrated in a previous study, the uptake of SPIONs by tumoral human cells was enhanced by the presence of amino groups on their surface. The stabilization of SPIONs were then performed and optimized by the coating of poly(vinylalcohol) and poly(vinylalcohol/vinylamine). Such nanoparticles were known as aminoPVA-SPIONs. The toxicity and the inflammatory reaction of aminoPVA-SPIONs were evaluated in order to establish their potentiel use in the human body. The results demonstrated that the human cells were able to invaginate aminoPVA-SPIONS without revealing any toxicity and inflammatory reaction.
The analysis by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), cryo-TEM, confocal microscopy and histological staining (i.e. Prussian Blue) showed that the iron oxide core of SPIONs were located in the cytoplasm of cells and concentrated in vesicles.
The evaluation of the mechanism of uptake of aminoPVA-SPIONs revealed that their uptake by monolayer cell culture was performed via an active mechanism, which was achieved by a clathrin-mediated endocytosis. Consequently, it was suggested that aminoPVA-SPIONs were good candidates as nanocarriers in drug delivery systems, which were able to reach the cytoplasm of cells. Their incubation with three-dimensional models mimicing tissues, such as differentiated rat brain cell-derived aggregates and spheroids, revealed that aminoPVA-SPIONs were able to invade into deep cell layers according to the stage of growth of these models.
In the view of these promising results, drug-SPIONs were prepared by the functionalization of aminoPVA-SPIONs via a biological labile chemical bond by one of these three antineoplastic agents, which are widely used in clinical practice: 5-fluorourdine (Fur) (an antimetabolite), or camptothecin (CPT) (a topoisomerase inhibitor) or doxorubicin (DOX) (an anthracycline which interfere with DNA). The results shown that drug-SPIONs were internalized by human melanoma cells, as it was expected due the previous results with aminoPVA-SPIONs, and in addition they were active as anticancer agents, suggesting the efficient release of the drug from the drug-SPIONs. The results with CPT-SPIONs were the most promising, whereas DOX- SPIONs did not demonstrate a prononced activity of DOX.
In conclusion, the results demonstrated that functionalized iron oxide nanoparticles are a promising tool in order to deliver therapeutic agents.
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Dans le cadre de ce travail de thèse, les nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (SPIONs) ayant un diamètre de 9 nm ont été choisies, afin d'étudier leur éventuelle utilisation dans un système de délivrance d'agents thérapeutiques. Ainsi le but de la thèse est de démontrer la faisabilité de fabriquer un système efficace de délivrance d'agents thérapeutiques, qui serait un outil intéressant dans le cadre d'une utilisation biomédicale, par exemple lors du traitement du cancer, qui pourrait réduire les effets secondaires provoqués par le dosage trop élevé de médicaments.
Comme il a été démontré dans une précédente étude, l'invagination des SPIONs par des cellules humaines cancéreuses est améliorée par la présence de groupes fonctionnels amino à leur surface. La stabilisation des SPIONs est ainsi effectuée et optimisée par l'enrobage de poly(vinylalcool) et de (poly(vinylalcool/vinylamine), qui sont connues sous le nom de aminoPVA-SPIONs. La toxicité et la réaction inflammatoire des aminoPVA-SPIONs ont été évaluées dans le but de déterminer leur potentielle utilisation dans le corps humain. Les résultats démontrèrent que les cellules humaines sont capables d'invaginer les aminoPVAS-SPIONs sans induire une réaction toxique ou inflammatoire.
L'analyse par la microscopie électronique en transmission électronique (TEM), la microscopie électronique à balayage (SEM), le cryo-microscopie électronique (SEM), la microscopie confocale et la coloration histologique (par ex, le bleu de Prusse) a montré que l'oxyde de fer des SPIONs est localisé dans le cytoplasme des cellules et est concentré dans des vesicules. L'évaluation du méchanisme d'invagination des aminoPVA-SPIONs ont révélé que leur invagination par des monocultures de cellules est effectué par un méchanisme actif, contrôlé par une endocytose induite par les clathrins. Par conséquent, les aminoPVA-SPIONs sont de bons candidats en tant que transporteurs (nanocamers) dans un système de délivrance d'agents thérapeuthique, capable d'atteindre le cytoplasme des cellules. Leur incubation avec des modèles tridimenstionnels imitant les tissues, tels que les aggrégats de cellules de cerveau différenciées et les sphéroïdes, a montré que les aminoPVA-SPIONs sont capable de pénétrer dans les couches profondes des modèles, selon l'état d'avancement de leur croissance.
En vue de ces résultats prometteurs, les drug-SPIONs ont été préparés en fonctionalisant les aminoPVA-SPIONs par le biai d'une liaison chimique labile par un des trois agents thérapeutiques, déjà utilisé en pratique : 5-fluorourdine (Fur) (un antimétabolite), or camptothecin (CPT) (un inhibiteur de la topoisomerase) or doxorubicin (DOX) (un anthracycline qui interfère avec le DNA). Les résultats ont montré que les drug-SPIONs sont capable d'être internalisés par les mélanomes, comme il a été attendu d'après les résultats obtenus précédemment avec les aminoPVA-SPIONs, et de plus, les drug-SPIONs sont actifs, ce qui suggère un relargage efficace de l'agent thérapeutique du drug-SPIONs. Les résultats obtenus avec les CPT-SPIONs sont les plus prometteurs, tandis que ceux avec les DOX-SPIONs, ce n'est pas le cas, dont l'activité thérapeutique de DOX n'a pas été aussi efficace.
En conclusion, les résultats ont pu démontrer que les nanoparticules d'oxyde de fer fonctionnalisées sont un outil prometteur dans la délivrance d'agents thérapeutiques.