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Radiolabelled porphyrinic metalla-assemblies linked to cellulose nanocrystals as PDT and imaging agents
Résumé Le cancer est l’un des plus grands ensembles de maladies dans notre société, ce qui signifie qu’il y a un besoin urgent de nouveaux médicaments pour traiter le cancer. L’un des plus grands défis du traitement anticancéreux est l’administration spécifique de médicaments aux cellules cibles afin d’éviter les effets délétères sur les cellules saines. En fait, la plupart des médicaments anticancéreux ont également des effets puissants sur les cellules normales en raison de la forte similitude des mécanismes de régulation de la croissance des cellules normales par rapport à leurs homologues transformés. La thérapie photodynamique (PDT) s’impose comme l’une des voies innovantes pour lutter contre le cancer et apporter des solutions aux problèmes rencontrés avec les thérapies traditionnelles. Avec la combinaison d’un photosensibilisateur, de la lumière et de l’oxygène, la PDT atteint une sélectivité unique par la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) localisées à l’intérieur des cellules cancéreuses, ce qui conduit à leurs destructions avec des effets secondaires limités. Parallèlement au traitement, le diagnostic précoce joue un rôle essentiel pour le résultat. En particulier, l’imagerie est un outil extrêmement intrigant puisqu’il permet non seulement le diagnostic mais aussi l’accompagnement du traitement. Cette étude vise à utiliser des nanocristaux de cellulose pour transporter et livrer des molécules photosensibles à des cibles biologiques et créer une nouvelle génération d’agents théranostiques. Pour cela, des porphyrines et des phtalocyanines ont été synthétisées, dans le but d’explorer leur ensemble particulier de bandes d’absorption pour le traitement en PDT. Celles-ci ont ensuite été utilisées pour construire des métalla-assemblages par coordination avec des dimères de ruthénium, dans le but non seulement d’améliorer leur solubilité, mais aussi d’éviter l’agrégation. Les unités métalla-ruthénium offrent également une stabilité et une cytotoxicité inhérente grâce à la présence de ruthénium sur le site du cancer. Ces complexes ont ensuite été liés à des nanocristaux de cellulose (CNC) pour un meilleur ciblage par l’augmentation de leur taille, ce qui en fait d’intéressants activateurs d’effet EPR (enhanced permeability and retention effect). Cette stratégie de livraison est basée sur la structure particulière des vaisseaux néoangiogéniques tumoraux qui permettent un ciblage passif. Un autre avantage du greffage de ces composés sur les CNC est qu’il assure une compatibilité biologique et un temps de circulation sanguine prolongé. À partir des composés photosensibles ayant les meilleures caractéristiques, un marquage isotopique avec du technétium-99m et de l’indium-111 par radiomarquage direct a été effectué, afin de les utiliser comme sondes d’imagerie. Après la synthèse, des tests in vitro ont été effectués pour déterminer la toxicité (IC50) et si les agents PDT étaient sélectifs vis-à-vis des cellules cancéreuses. Dans le même temps, il a été permis de déterminer la concentration optimale pour les expériences in vivo. Leur cytotoxicité et leurs effets thérapeutiques potentiels ont été évalués sur deux lignées de cellules cancéreuses de l’ovaire (A2780 et A2780cis) et une lignée cellulaire hépatique normale (HEK293T) par un test d’activité métabolique. Leur absorption cellulaire a également été déterminée. Enfin, les composés radiomarqués qui ont montré les meilleurs résultats in vitro ont été utilisés pour l’imagerie scintigraphique chez des souris à immunodéficience combinée sévère (SCID) à différents intervalles (1, 2, 4 et 24 h) dans le but d’étudier leur biodistribution, qui a montré une accumulation préférentielle dans le foie, mais aussi dans la vessie.


L’hypothèse est donc que par des modifications consécutives des photosensibilisateurs initiaux afin d’améliorer leurs caractéristiques biophysiques (par coordination avec des composés organométalliques et des nanocristaux de cellulose) et plus tard leur radiomarquage, nous avons réalisé de nouveaux agents théranostiques pour la PDT. Le présent travail porte donc sur la synthèse, la caractérisation, l’évaluation in vitro et in vivo d’une petite famille de nouveaux agents théranostiques.

Abstract

Cancer is one of the biggest set of diseases in our society, and although there are some very interesting treatments and drugs used in pratice, one of the biggest challenges of anticancer treatment is the specific delivery of drugs to the target cells in order to avoid deleterious effects on normal cells. In fact, most of the anticancer drugs have potent effects also on normal cells due to the strong similarity of the mechanisms of growth regulation of normal cells as compared to their transformed counterparts. Photodynamic therapy (PDT) imposes itself as one of the most preponderant voices to tackle cancer and provide solutions for the problems encountered with traditional therapies. With the combination of a photosensitizer, light and oxygen, PDT achieves a unique selectivity by the production of localized reactive oxygen species (ROS) inside cancerous cells, which leads to their destruction with limited side effects. Alongside treatment, early diagnosis undertakes a critical role for the outcome. In particular, imaging is an extremely intriguing tool since it allows not only for diagnosis but to follow treatment as well.


This study aims to use cellulose nanocrystals to transport and deliver photo-responsive molecules to biological targets and create a new generation of theranostic agents. For that, porphyrins and phthalocyanines were synthesized, with the aim of exploring their peculiar set of absorption bands for PDT treatment. These were then used as panels to construct metalla-assemblies through coordination with ruthenium dimers, with the goal of enhancing not only their solubility but also helping with aggregation. The ruthenium metalla-clips also offer stability and inherent cytotoxicity through reduction in the cancer site. These complexes were subsequently linked to cellulose nanocrystals (CNCs) for better targeting. This is achieved through the increase of their size, making them interesting EPR (enhanced permeation retention) effect enhancers. This delivery strategy is based upon the particular structure of tumor neoangiogenic vessels that allow the passive targeting. Another advantage of grafting these compounds to CNCs is that they ensure biological compatibility and prolonged blood circulation time. From the resulting photo-responsive compounds, the ones that were considered to have the best characteristics were then radiolabeled with either technetium-99m or indium-111 through direct radiolabelling,
allowing them to also be used as imaging probes.


After synthesis, in vitro assays were performed to determine the IC50 and whether the PDT agents were selective towards cancer cells. At the same time, it allowed to determine the optimal concentration for in vivo experiments. Their cytotoxicity and potential therapeutic effects were evaluated on two ovarian cancer (A2780 and A2780cis) and one normal hepatic cell lines (HEK293T) through a metabolic activity assay. Their cellular uptake was determined as well. Finally, the radiolabeled compounds that showed the best in vitro results were used for scintigraphic imaging in Severe Combined Immunodeficiency (SCID) mice at several timepoints (1, 2, 4 and 24 h) with the intent of studying their biodistribution, which showed preferential accumulation mainly in the liver, but also in the bladder.


The hypothesis is therefore that through consecutive modifications of the initial photosensitizers in order to ameliorate their biophysical characteristics (through coordination with organometallic compounds and cellulose nanocrystals) and later their radiolabelling, we will be able to achieve novel PDT theranostic agents. The present work, therefore, deals with the synthesis, characterization, in vitro and in vivo evaluation of a small family of novel PDT theranostic agents.
   
Mots-clés thérapie photodynamique; agents théranostiques; metalla-assemblages; radiomarquage; photodynamic therapy; theranostic agents; metalla-assemblies; radiolabeling
   
Citation Salgueiro Simões, J. (2022). Radiolabelled porphyrinic metalla-assemblies linked to cellulose nanocrystals as PDT and imaging agents, Doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel.
   
Type Thèse (Anglais)
Année 2022
Departement academique Institut de chimie
Université Université de Neuchâtel (Neuchâtel)
Degré Doctorat