Biocompatibilité des complexes protéines–nanoparticules : perspectives sur la réponse cellulaire aux nanoparticules d'oxyde de fer fonctionnalisées, revêtues d'un corona

Cette thèse rapporte l'étude de la biocompatibilité des nanoparticules (NPs) d‟oxyde de fer (Fe3O4) superparamagnetiques candidates à une livraison ciblée des molécules thérapeutiques. Nous nous sommes tout spécialement attachés à étudier l'impact de la composition de surface de ces NPs et l'adsorption des protéines à la surface de ces dernières sur les réponses cellulaires. Pour ce faire, nous avons tout d'abord examiné le potentiel toxique la magnétite avec divers fonctionnalisations : celle qui est préparée avec (1) une monocouche d'acide oléique (Fe3O4@OA), qui est ensuite converti en (2) une enveloppe de silane contenant une amine (Fe3O4@NH2), (3) un revêtement de silice (Fe3O4@SiO2), et (4) une enveloppe de silane contenant une amine sur un revêtement de silice (Fe3O4@SiO2@NH2). La présence de ces groupements à la surface des NPs a été confirmée par l'analyse XPS et la microscopie électronique à transmission (TEM). Nous avons pu prouver que le potentiel toxique des NPs est dose-dépendant et ainsi déterminer les doses biocompatibles pour chaque fonctionnalisation de surface. L'observation au microscope de la morphologie des cellules exposées aux NPs, leur activité mitochondriale et proinflammatoire ont montré que, en plus des caractéristiques de surface, le milieu de culture cellulaire influence également la cytotoxicité des NPs. Ces résultats montrent clairement que pour pouvoir utiliser nos NPs comme nanovecteur pharmaceutique de façon sécuritaire, nous devons contrôler la fonctionnalisation de surface et l'interaction dynamique entre la NP et le milieu physiologique dans lequel elle est suspendue. Pour comprendre l'interaction entre la NP et le milieu de culture, dans une première étape, nous avons utilisé trois milieux de culture différents à savoir : DMEM, F-12K et DMEM/F12 (voir annexe A) et la magnétite sans revêtement (Fe3O4). Ces milieux ont été enrichis soit avec le sérum bovin (voir annexe B) soit avec un sérum synthétique (SFMS). Nous avons prouvé la présence d'une couronne protéique (corona) sur les NPs suspendues dans les milieux de culture enrichis de sérum bovin. Nous avons également démontré que la formation du corona sur les nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPIONs) dépend de la composition du milieu de culture et que le potentiel cytotoxique des NPs est influencé par l'interaction NP-protéines.

Abstract

This thesis presents the study of the biocompatibility of nanoparticles (NPs) of iron oxide (Fe3O4) candidates for targeted delivery of therapeutic molecules. We especially devoted to study the impact of the surface composition of the NPs and protein adsorption at the surface thereof on the cellular responses. To do this, we first examined the toxic potential of magnetite with various functionalizations: one that is prepared with (1) a monolayer of oleic acid (Fe3O4@OA), which is then converted to (2) an envelope silane containing an amine (Fe3O4@NH2), (3) a coating of silica (Fe3O4@SiO2), and (4) an envelope containing a silane coating on amine silica (Fe3O4@SiO2@NH2). The presence of these groups at the surface of the NPs was confirmed by XPS and transmission electron microscopy (TEM) analysis. We were able to prove that the toxic potential of NPs is dose-dependent and we determine the biocompatible doses for each surface functionalization. Microscopic observation of the morphology of the cells exposed to NPs, and their proinflammatory and mitochondrial activity showed that, in addition to surface features, the cell culture medium also affect the cytotoxicity of the NPs. These results clearly show that in order to use our NPs as pharmaceutical nanocarrier safely, we need to control the surface functionalization and the dynamic interaction between the NP and the physiological environment in which it is suspended. To understand the interaction between the NP and the culture medium, as a first step, we used three different culture media namely: DMEM, F-12K and DMEM / F12 (see Appendix A) and uncoated magnetite (Fe3O4). These media were enriched with either fetal bovine serum (see Appendix B) or with a synthetic serum (SFMS). We have proved the presence of a protein corona on NPs suspended in culture media enriched with bovine serum. We also demonstrated that the formation of the corona depends on the composition of the culture medium and that the cytotoxic potential of the NPs is influenced by NP-protein interaction. In a second step, we used one culture medium (DMEM / F12) and the magnetite with three different surface compositions: uncoated SPIONs with hydroxyl groups (OH) on the surface; coated SPIONs with an amine group (NH2) on the surface and the last one with a carboxylic group (COOH) on the surface. The results show that the composition of the corona dependst on