PLAN

1. NANOVECTEURS: DENDRIMERES ET NANOPARTICULES D’OR

2. LES NANOPARTICULES D’OR EN VECTORISATION DU

DOCETAXEL

3. LES NANOPARTICULES D’OR EN THERANOSTIQUE

DENDRIMERES ET NANOPARTICULES D’OR

POUR LA VECTORISATION

Didier ASTRUC

ISM, UMR CNRS 5255, Université de Bordeaux

Institut Universitaire de France

Cancer: Prolifération incontrôlée des cellules causée par

des mutations génétiques en combinaison avec des

facteurs environementaux

Traitements: chirurgie, radiothérapie, chimiothérapie

Principaux agents chimiothérapeutiques:

Rigidifiant des

microtubules:

les taxanes

Antibiotiques

antitumoraux:

(intercalation ADN)

les anthracyclines

Antimétabolite

Agent “alkylant”:

lie 2 guanines

intra ADN Cis-platine

Thérapie génique à base d'un vecteur adénovirus: Un nouveau gène est inséré dans un vecteur dérivé d'un adénovirus, lequel est utilisé

pour introduire l’ADN modifié dans une cellule humaine. Si le transfert se déroule correctement, le nouveau gène élaborera une protéine

fonctionnelle qui pourra alors exprimer son potentiel thérapeutique.

En 2013, près de 2000 essais cliniques auraient été proposés au niveau international; environ 65 % des essais se focalisent sur le

traitement du cancer. Le peu de données exhaustives qu'il est possible d'obtenir rend difficile l'estimation du réel intérêt thérapeutique

des protocoles réalisés. La plupart des stratégies combinent des molécules chimiques (polycations) et la molécule d'ADN pour faciliter

la traversée de la membrane des cellules et la rentrée des molécules d'ADN. Les vecteurs viraux sont en vogue mais présentent des

difficultés au niveau de la sécurité et les vecteurs non viraux n'ont qu'une capacité très réduite à intégrer l'information génétique dans le

génome, les rendant ainsi inutiles pour des modifications génétiques pérennes de populations cellulaires en prolifération active.

THERAPIE

GENIQUE

This image, a work of the

Naional Institute of Health,

is in the public domain.

Dendrimère Dendrimère PAMAM-G2 (Polyamidoamine – Tomalia- 2ème génération)

LES DENDRIMERES

Haensler, J.; Szoka, F. C. Jr. PAMAM dendrimers mediate efficient transfection of cells in culture. Bioconjugate Chem. 1993, 4, p. 372.

Revue sur l’utilisation de dendrimères pour le transport de gènes: Guillot, M.; Eisler, S.; Diederich, F. New J. Chem. 2007, 31, p. 1111.

Revue récente sur l’utilisation de dendrimères pour le transport d’ARNsi: Liu, X.; Rocci, P.; Peng, L. New J. Chem. 2012, 36, p. 256.

Revue générale sur les utilisations biomédicales des dendrimères: Astruc, D.; Boisselier, E.; Ornelas, C. Chem. Rev. 2010, 110, 1857.

NANOMEDECINE:

VECTORISATION DES MEDICAMENTS

Liposome ou nanovecteur

de médicament de deuxième

génération, CNRS

Photothèque/SAGASCIENCE

/ CAILLAUD François

Le but de la vectorisation est de palier les inconvénients:

insolubilité and non spécificité du médicament

Vectorisation :

Objectifs :

• Accroître la solubilité

• Permettre le ciblage => diminuer les effets secondaires

CIBLAGE

Actif : association avec la reconnaissance

moléculaire, puis internalisation par

endocytose

Passif : accumulation dans les tissus

cancéreux grâce à la vascularisation

hétérogène et plus perméable

VECTORS

Polymersome

Polymer capsule Liposome

Polymeric micelle Polymeric nanoparticle Dendrimer

God nanoparticule with thiolate ligands

Aun(SR)m

VECTORIZATION

PHOTOTHERMOTHERAPY

DIAGNOSTIC (IMAGING)

(AuNP)

Revues:

- Daniel, M.-C.; Astruc, D. Gold Nanoparticles: Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-size Related Properties, and

Applications toward Biology, Catalysis and Nanotechnology. Chem. Rev. 2004, 104, 293.

- Boisselier, Astruc, D. Gold Nanoparticles in Nanomedicine. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1759; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, sous presse.

Biocompatibilité :

– Purification des AuNPs (précurseurs cytotoxiques)

– Ligands : ligands cationiques plus toxiques que ligands anioniques, mais

terminaisons PEGylées biocompatibles

Taille nanométrique : Circulation sanguine et diffusion à travers les tissus facilitées Effet EPR (Enhanced Permeability and Retention) => accumulation dans les tissus

cancéreux Nanostructure précise et polyfonctionalisable Dendrimérisation possible (dendrons thiolates) Accumulation dépendante de la taille

Diagnostic (imagerie) et photothérapie (bande plasmon)

Avantages des AuNPs pour la vectorisation

PASSIVE VECTORIZATION

Hydrophobic drug vectorization in the thiolated layer

• Accumulation in tissues due to the EPR (Enhanced Permeation and Retention) effect

• Micellar behavior : hydrophobic core and hydrophilic surface

• Diffusion of drugs through the cell membranes

Interior of the cell

TAXANES: Paclitaxel (taxol) et Docétaxel (taxotère)

Le principal mécanisme d'action de la classe des taxanes est l'inhibition de la fonction des microtubules.

Les microtubules sont essentiels pour la division cellulaire, et les taxanes bloquent la division normale des cellules.

Cancers: sein, ovaires, poumon, prostate, gastrique, voies aérodigestives supérieures.

LE DOCETAXEL, L’UN DES MEDICAMENTS ANTI-CANCER LES PLUS PUISSANTS

HNO

O

OH

O O

O

O

HO

OH

H

O

O

O

HO O

HO

O

O

HO

OH

H

O

O

O

HO O

10-deacétylbaccatin-III Docétaxel (cancers de poumon, sein,

gastrique, ovaire, prostate métastasé)

Taxus baccata (if européen)

Extraction

(feuilles)

Hemi-

synthèse

Pierre Pottier et al.,

J. A. C. S. 1988, 110, 5917-5919

Docetaxel nanotechnology in anti-cancer therapy.

P. Zhao, D. Astruc, ChemMedChem, 2012, 7, 952-972 (dédié à la mémoire de Pierre Potier)

A. François, A. Laroche, N. Pinaud, L. Salmon, J. Ruiz, J. Robert, D. Astruc, ChemMedChem 2011, 6, 2003-2008

VECTORISATION

PASSIVE

DE MEDICAMENT

UTILISANT LES

NANOPARTICULES D’OR:

Docetaxel encapsulation in PEGylated AuNPs and solubilization in water

S

N

S

N

S

N

S

N

SS

N

S

N

S

NN

NN

N N

NN

NN

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OO

O

O

O

O

O

OO

O

O

O

O

O

O

O O

O

OO

O

OH

Ph

NH

O

t-BuO

OHOCOPh

HOAc

HO O OH

O

O

OOH

Ph NH

Ot-BuO

OH

PhCOO H

AcO

HO

O

OH

O

O

O

OH

Ph

NH

O

t-BuO

OH

OCOPh

H

OAc

HOO

OH

Alison François

(ChemMedChem 2011)

AuNP

ACTIVE VECTORIZATION: RECEPTORS monoclonal antibodies, peptides, folate, hyaluronic acid, fatty acids, transferrin

Folate receptor:

• Allows internalization by endocytosis

Doxuribicine

Folic acid

PEG

Transferrin (TF) receptors:

• Médiators of endocytosis

• Covalent bond with AuNPs via

mercaptoacetic acid

Dixit, 2006

R. P. Andres et al. Bioconjugate Chem., 2006, 17, 603-609.

Conceptual Diagram of Folate Receptor-Mediated Binding, Internalization, Endosomal Acidification, Intracellular Trafficking, and Endosomal Escape of F-PEG1500-T:AuNP by Folate Receptor-Positive Cells.

Folate receptor AuNPs + folic acid + PEG

Endocytose

Endosome

ENDOCYTOSIS BY ACTIVE VECTORIZATION

Synthesis and functionalization of PEGylated AuNPs

Pengxiang Zhao, PhD 2012

HS

HS

HAuCl4 NaBH4

MeOH:H2O 1:1

Au SS

S

S S

S

S

S

S

S

DMSO

Au SS

S

S S

S

S

S

S

S

HS O O NH3+Cl-

10

HS OO

11CH3

HS

HS

S O O NH10

N

NN

N

NH2

OH

NH

O

NH

O

O

HO

S

NHS-Folate

N

O

O

N

NN

N

NH2

OH

NH

O

NH

O

O

HO

O

(N-hydroxysuccinimide ester of folate)

NHS-Folate

NEt3

Encapsulation of docetaxel by PEGylated AuNPs §

cytotoxicity

48h treatment

020406080

100120140

1.7x10-5

1.7x10-6

1.7x10-7

1.7x10-8

1.7x10-9

1.7x10-10

1.7x10-11

Concentration of Docetaxel (M)

% c

ell

surv

ival

Au

DOC

Au/DOC

Rachel Oliveira, Gillian Barratt

¥

Juliette Vergnaud, Luiz Claudio de Santa Maria Faculté de Pharmacie Université Paris-Sud UMR CNRS N°8612 Châtenay-Malabry

Prostate

cancer

cells

Au SS

S

S S

S

S

S

S

S

H2O r.t. 5d

HNO

O

OH

O O

O

OHO

OH

H

O

O

O

HO O

Docetaxel

Au SS

S

S S

S

S

S

S

S

S O O NH10

N

NN

N

NH2

OH

NH

O

NH

O

O

HO

S

S O O11

S

PEG

Folate

Docetaxel

Pengxiang Zhao

Intern. J. Pharmaceutics 2013, 454, 703.

Lumière: si λ >> taille des nanoparticules,

tous les électrons libres de la bande de conduction

subissent le même champ et oscillent collectivement

et en phase.

Quand λ = fréquence d’oscillation résonance:

absorption plasmonique. Exemple: taille = 20 nm

bande plasmon à 520 nm (dans le vert et les

nanoparticules ont la couleur complémentaire: rouge)

ABSORPTION PLASMONIQUE DES NANOPARTICULES D’OR

APPLICATION A LA THERAPIE PHOTOTHERMIQUE ANTI-CANCER

Ag(12nm) Au(100nm) Au(50nm) Ag(90nm) Ag(40nm)

L’absorption plasmonique (couleur) dépend

énormément des paramètres:

nature, taille, forme, milieu, distance

entre les nanoparticules (application

au diagnostic médical).

Proche infra-rouge La lumière infra-rouge absorbée

se transforme en chaleur tue les cellules

cancéreuses (37°C 45°C)

K. L. Kelly et al., J. Phys. Chem. B 107 (2003) 668.

X. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, M. A. El-Sayed, Lasers Med Sci (2008) 23:217–22

Detection by imaging :

SPB : surface plasmon band

Techniques used :

DIAGNOSTIC :

fonctionalization with

• oligonucleotides

• antibodies

Conclusion

• Ingénierie macromoléculaire pour la vectorisation:

fonctionnalisation des dendrimères et nanoparticules d’or

• Avantages des nanoparticules d’or: polyfonctionalisation

pour la vectorisation et téranostique (diagnostic + thérapie)

• Nécessité de l’interdisciplinarité médecine-biologie-

sciences moléculaires-physique

Bibliographie

Nanoparticules d’or:

- E. C. Dreaden, A. M. Alkilany, X. Huang, C. J. Murphy, M. A. El-Sayed. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine

Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2740.

- D. A. Giljohann, D. S. Seferos, W. L. Daniel, M. D. Masssich, P. C. Patel and C. A. Mirkin, Gold nanoparticles for biology and medicine,

Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 3280–3294.

- S. Lal, S. E. Clare and N. J. Halas, Nanoshell-enabled photothermal cancer therapy: impending clinical impact.

Acc. Chem. Res., 2008, 41, 1842–1851.

- E. Boisselier, D. Astruc. Gold Nanoparticles in Nanomedicine. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1759.

Docetaxel:

-P. Zhao, D. Astruc. Docetaxel nanotechnology in anti-cancer therapy. ChemMedChem, 2012, 7, 952-972

(dédié à la mémoire de Pierre Potier)

Dendrimères:

- U. Boas, J. B. Christensen. Dendrimers in medicine and biotechnology. Royal Chemical Society Publishing: Cambridge, U. K. 2006.

- Dendrimers in Medicine. B. Klajnert, M. Bryszewska Eds. Nova Science Publishers: New York, 2007.

- Dendrimers Designed for Function: From Physical, Photophysical and Supramolecular Properties to Applications in Sensing,

Catalysis, Molecular Electronics and Nanomedicine. D. Astruc, E. Boisselier, C. Ornelas, Chem. Rev. 2010, 110, 1857.