Contrôle de la diffusion de nanoparticules dans un gel par effet d'affinité : un modèle pour la livraison de médicaments

L'administration de médicaments est un enjeu crucial de la médecine actuelle. Les exigences dans le traitement des patients deviennent de plus en plus importantes : le traitement doit être personnalisé, plus efficace, moins contraignant, etc. Cela a conduit à un important effort de recherche dans le domaine (bio)pharmaceutique et biomédical. Un des principaux objectifs de ces recherches est le contrôle de la libération des agents thérapeutiques pour permettre une administration efficace, localisée et prolongée. De nombreuses méthodes sont étudiées comme l'utilisation de micro- ou nanovecteurs (liposomes, particules polymériques, particules inorganiques, etc) ou le développement d'hydrogels chargés en principe actif. Néanmoins, contrôler la vitesse de libération de l'agent thérapeutique reste un véritable défi. Les systèmes d'affinité semblent être des candidats potentiels pour pallier cela. En effet, quelques groupes de recherche ont montré que l'utilisation d'une interaction spécifique (d'où le terme « affinité ») entre le vecteur et l'agent thérapeutique peut permettre de contrôler la libération de certaines protéines. Cependant, ces systèmes sont généralement basés sur une propriété propre à l'agent thérapeutique d'intérêt et ils ne peuvent être utilisés pour une grande plage de molécules. Le travail de recherche présenté ici propose l'utilisation de peptides superhélices, plus précisément le système peptidique Ecoil/Kcoil, pour contrôler la diffusion de nanoparticules d'or dans un hydrogel d'alginate. Des nanoparticules (NPs) d'or ont été fonctionnalisées avec une protéine chimère correspondant au peptide Ecoil fusionné au facteur de croissance épidermique (EGF). La bioactivité du EGF greffé a été vérifiée par un test de phosphorylation des récepteurs EGF de cellules A431 et la biodisponibilité du peptide Ecoil a été testée en immobilisant les nanoparticules sur des surfaces décorées avec le peptide Kcoil. Ensuite, nous avons réalisé un hydrogel d'alginate décoré avec le peptide Kcoil. Les chaînes d'alginate ont été fonctionnalisées via une chimie click azide-alcyne et la diffusion des NPs dans des hydrogels possédant différentes densités de Kcoil a été étudiée par microscopie différentielle dynamique (DDM) ainsi que par des tests de libération. Les résultats ont montré que la diffusion des nanoparticules d'or était ralentie d'un facteur deux dans des hydrogels contenant une quantité suffisante de Kcoil comparée à dans un hydrogel sans Kcoil. Ces résultats permettent de confirmer que le système peptidique Ecoil/Kcoil permet de contrôler la libération de nanoparticules hors d'un hydrogel, ouvrant la voie à de nombreuses applications en administration de médicaments, thérapie cancéreuse ou encore en médecine régénératrice.

Abstract

Drug delivery is a highly active field of research in today medicine. Treatments must be more personalized, efficient and compliant, leading to a significant research effort in the (bio)pharmaceutical and biomedical domain. A key goal of this research is the controlled release of therapeutic agents for an efficient, localized and sustained release. Diverse methods have been studied, including the use of micro- or nanoparticles (liposomes, polymeric or inorganic particles, etc) or the development of hydrogels loaded with therapeutic agents. However, the control of the drug release rate remains a challenge. Affinity based-systems have been proposed as interesting alternatives to achieve a controlled release. Indeed, several research teams have shown that a specific interaction between the vector and the therapeutic agent (hence the term ‘affinity') could allow for a controlled release of some proteins. Unfortunately, those systems generally depend on a natural characteristic of the therapeutic agent and cannot be applied to a large variety of molecules. The work presented here takes advantage of specific peptides forming coleid-coil structures, namely the Ecoil/Kcoil coils, to control decorated gold nanoparticle (NP) diffusion in an alginate hydrogel. Gold NPs have first been functionalized with a chimeric protein corresponding to the fusion of the Ecoil peptide to the epidermal growth factor (EGF). Bioactivity of grafted EGF has been confirmed in an in vitro cell assay based on the EGF receptor phosphorylation, while the bioavailability of the Ecoil peptide has been tested by immobilizing the decorated NPs on a Kcoil decorated surface. Alginate hydrogels were then designed by functionalizing alginate chains with the Kcoil peptide using alkyne-azide click chemistry. NP diffusion in alginate hydrogels of various Kcoil densities were studied by differential dynamic microscopy (DDM) and traditional release assays. Results demonstrated a factor two slowdown of NPs diffusion in hydrogels containing a sufficient amount of Kcoil peptide. This confirms that E/Kcoil system can control the release of nanoparticles from a hydrogel and paves the way to a broad range of applications in drug delivery, cancer therapy or regenerative medicine.