Année 2014 THÈSE Pour obtenir le grade de Do teu de l'U ive sit de Franche-Comté Spécialité

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Année 2014
THÈSE
Pour obtenir le grade de
Do(cid:272)teu(cid:396) de l’U(cid:374)ive(cid:396)sit(cid:288) de Franche-Comté
Spécialité : Chimie
Laboratoire UTINAM
Ecole doctorale Carnot-Pasteur

Présentée et soutenue publiquement le 28 novembre 2014
Par Monsieur Gautier LAURENT

SYNTHÈSE DE NANOPARTICULES D’OR MULTIFONCTIONNELLES POUR LA RADIOTHÉRAPIE
GUIDÉE PAR IMAGERIE

Directeurs de thèse : Professeur Stéphane ROUX, Université de Franche-Comté
Professeur Franck DENAT, Université de Bourgogne

Après avis de : Professeur Muriel BARBERI-HEYOB Rapporteur
Docteur Jean-Olivier DURAND Rapporteur

De(cid:448)a(cid:374)t la Co(cid:373)(cid:373)issio(cid:374) d’E(cid:454)a(cid:373)e(cid:374) fo(cid:396)(cid:373)(cid:288)e de :
Professeur Muriel BARBERI-HEYOB Rapporteur
Docteur Jean-Olivier DURAND Rapporteur
Docteur Géraldine LE DUC, ESRF Président
Professeur Stéphane ROUX, Université de Franche-Comté Membre
Professeur Franck DENAT, Université de bourgogne Membre
1
« Savoir écouter, c’est posséder, outre le sien, le cerveau des autres »
Léonard de Vinci

2
3
REMERCIEMENTS
Ce t(cid:396)a(cid:448)ail de th(cid:287)se plu(cid:396)idis(cid:272)ipli(cid:374)ai(cid:396)e (cid:373)’a permis de côtoyer et de travailler avec de
nombreuses personnes (cid:395)ui (cid:373)’o(cid:374)t beaucoup apporté tant sur le plan humain que scientifique
par leurs conseils et leur soutien pour la réalisation de ce travail.
Je souhaite remercier Sylvain Picaud, Directeur du laboratoire UTINAM, et Patrick Fievet,
di(cid:396)e(cid:272)teu(cid:396) de l’(cid:288)(cid:395)uipe NCM, pou(cid:396) (cid:373)’a(cid:448)oir accueilli au laboratoire.
J’ad(cid:396)esse (cid:288)gale(cid:373)e(cid:374)t mes remerciements à Muriel BARBERI-HEYOB et Jean-Olivier DURAND
pour a(cid:448)oi(cid:396) a(cid:272)(cid:272)ept(cid:288) d’(cid:289)t(cid:396)e (cid:396)appo(cid:396)teu(cid:396) de (cid:272)e (cid:373)a(cid:374)us(cid:272)(cid:396)it ai(cid:374)si (cid:395)ue Géraldine Le Duc pour avoir
accepté de faire partie du jury.
Je tiens tout particulièrement à remercier Stéphane Roux pour sa compétence, sa
disponibilité que ce soit pour une discussion ou simplement pour répondre à mes
interrogations, pour son enthousiasme, ses encouragements, et pou(cid:396) (cid:373)’a(cid:448)oi(cid:396) fait (cid:272)o(cid:374)fia(cid:374)(cid:272)e.
U(cid:374) g(cid:396)a(cid:374)d (cid:373)e(cid:396)(cid:272)i pou(cid:396) (cid:373)’a(cid:448)oi(cid:396) guid(cid:288) tout au lo(cid:374)g de (cid:272)e t(cid:396)a(cid:448)ail ainsi que pour son engagement
lo(cid:396)s des (cid:373)a(cid:374)ips d’imagerie/thérapie, et pour la rédaction de ce manuscrit. Je remercie
également Rana Bazzi pour ses conseils et sa disponibilité au laboratoire.
J’ad(cid:396)esse (cid:373)es (cid:396)e(cid:373)e(cid:396)(cid:272)ie(cid:373)e(cid:374)ts à (cid:373)o(cid:374) (cid:272)o-encadrant Franck Denat (université de bourgogne)
ai(cid:374)si (cid:395)u’à F(cid:396)(cid:288)d(cid:288)(cid:396)i(cid:272) Bos(cid:272)hetti (cid:894)Che(cid:373)ate(cid:272)h(cid:895) et Clai(cid:396)e Be(cid:396)(cid:374)ha(cid:396)d pou(cid:396) la s(cid:455)(cid:374)th(cid:287)se des liga(cid:374)ds.
Je souhaite remercier toutes les personnes avec qui j’ai (cid:272)olla(cid:271)o(cid:396)(cid:288) du(cid:396)a(cid:374)t (cid:272)es t(cid:396)ois a(cid:374)(cid:374)(cid:288)es
pour leur expérience enrichissante. Je remercie notamment Nadine Millot et Julien Boudon
(Université de Dijon) pour les analyses ATG dans leur équipe et pour leurs explications et
conseils. Je tiens aussi à remercier Alexandra Oudot, Bertrand Collin et Mathieu Moreau
(Université de Dijon et CGFL) pou(cid:396) le (cid:396)adio(cid:373)a(cid:396)(cid:395)uage et l’i(cid:373)age(cid:396)ie. Merci à Pascal Perriat du
laboratoire MATEIS pour les séances de TEM. Un grand merci à Fabien et Charles
(laboratoire LPCML) pour leur aide et conseils lors des manips ICP, HPLC et de lyophilisation.
Je (cid:396)e(cid:373)e(cid:396)(cid:272)ie Ma(cid:396)ie Dut(cid:396)ei(cid:454) pou(cid:396) (cid:373)’a(cid:448)oi(cid:396) a(cid:272)(cid:272)ueilli (cid:395)uel(cid:395)ues jou(cid:396)s da(cid:374)s so(cid:374) (cid:288)(cid:395)uipe à O(cid:396)sa(cid:455)
pour les manips in vitro et particulièrement Nim pour son aide et sa formation durant les
longues manips sur cellules.
4
Merci également à Sophie Laurent et Luce Vander Elst (université de Mons) pour leur accueil
e(cid:374) Belgi(cid:395)ue. Me(cid:396)(cid:272)i de (cid:373)’a(cid:448)oi(cid:396) fo(cid:396)(cid:373)(cid:288) su(cid:396) les (cid:373)i(cid:374)ispe(cid:272)s, pour les manips de profil NMRD et
pour votre expertise. Je remercie également Robert Muller pour (cid:373)’a(cid:448)oi(cid:396) pe(cid:396)(cid:373)is de t(cid:396)a(cid:448)aille(cid:396)
au sein du laboratoire.
Je me souviendrai très longtemps des expériences à l’ESRF. Malgré des manips le week-end
jus(cid:395)u’à pa(cid:396)fois (cid:1007)h du (cid:373)ati(cid:374) et les contretemps de dernières minutes, il y régnait toujours
u(cid:374)e (cid:271)o(cid:374)(cid:374)e a(cid:373)(cid:271)ia(cid:374)(cid:272)e. Les pe(cid:396)so(cid:374)(cid:374)es a(cid:448)e(cid:272) (cid:395)ui j’y ai travaillé y sont pour beaucoup. Merci à
Géraldine Le Duc pour son expertise, pou(cid:396) l’i(cid:373)pla(cid:374)tatio(cid:374) des tu(cid:373)eu(cid:396)s et pou(cid:396) l’i(cid:374)je(cid:272)tio(cid:374) des
particules. Je tiens aussi à remercier Sandrine Dufort, pour son efficacité lors des anesthésies
et pour ces super tableaux récapitulatifs. Un grand merci, Sandrine, pour toutes les manips
sur souris (IT, ICP, fluo). Je tiens également à remercier Elke Bräuer-Krisch et Herwig
Requardt pour les manips MRT.
Je remercie Akim, Ali et Gloria qui ont partagé mon bureau dans la bonne humeur. Merci
Akim pour tes conseils très utiles dès le début de ma thèse, merci Ali pour avoir été mon
« binôme » de thèse durant ces trois ans (jus(cid:395)u’à Poitiers et Porquerolles) et merci Gloria
pou(cid:396) to(cid:374) aide du(cid:396)a(cid:374)t les (cid:373)a(cid:374)ips d’i(cid:373)age(cid:396)ie et de th(cid:288)(cid:396)apie.
Je tiens à remercier mes amis de fa(cid:272) a(cid:448)e(cid:272) (cid:395)ui j’ai pa(cid:396)tag(cid:288) (cid:272)e(cid:396)tai(cid:374)es années de Licence ou de
Master pour avoir contribué à rendre agréable cette expérience universitaire.
Merci à (cid:448)ous les NNG pou(cid:396) (cid:448)ot(cid:396)e soutie(cid:374) et pou(cid:396) a(cid:448)oi(cid:396) (cid:272)o(cid:374)t(cid:396)i(cid:271)u(cid:288) d’u(cid:374)e (cid:272)e(cid:396)tai(cid:374)e (cid:373)a(cid:374)i(cid:287)(cid:396)e à
cet aboutissement.
Je remercie chaleureusement (cid:373)es pa(cid:396)e(cid:374)ts pou(cid:396) (cid:373)’a(cid:448)oi(cid:396) do(cid:374)(cid:374)(cid:288) toutes les (cid:272)ha(cid:374)(cid:272)es pou(cid:396) e(cid:374)
arriver jus(cid:395)u’i(cid:272)i et pour leur soutien sans faille. Qu’ils t(cid:396)ou(cid:448)e(cid:374)t, da(cid:374)s la (cid:396)(cid:288)alisatio(cid:374) de (cid:272)e
t(cid:396)a(cid:448)ail, l’a(cid:271)outisse(cid:373)e(cid:374)t de leu(cid:396)s effo(cid:396)ts ai(cid:374)si (cid:395)ue l’e(cid:454)p(cid:396)essio(cid:374) de (cid:373)a g(cid:396)atitude.
Me(cid:396)(cid:272)i à (cid:373)a sœu(cid:396) et à mon frère pour leur soutien et pour la relecture du manuscrit et
correction des dernières fautes. Merci Quentin, pour tes éclaircissements sur certaines
questions « bio » grâce à tes connaissances.
Enfin, un remerciement très spécial à toi, Justine, qui a fortement contribué dans
l’a(cid:272)(cid:272)o(cid:373)plisse(cid:373)e(cid:374)t de (cid:272)ette thèse par tes encouragements et ton soutien de tous les jours
qui m’o(cid:374)t pe(cid:396)(cid:373)is de (cid:373)’(cid:288)pa(cid:374)oui(cid:396) plei(cid:374)e(cid:373)e(cid:374)t.
5
Résumé
Afi(cid:374) d’a(cid:373)(cid:288)lio(cid:396)e(cid:396) la sélectivité de la radiothérapie dans le cadre du traitement de certains
cancers, (cid:374)ous p(cid:396)oposo(cid:374)s l’utilisatio(cid:374) de (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules (cid:396)adiose(cid:374)si(cid:271)ilisa(cid:374)tes fonctionnalisées
pour le suivi par imagerie médicale. Ces objets dont la composition permet de combiner
imagerie multimodale et activité thérapeutique télécommandée ouvrent la voie vers la
th(cid:288)(cid:396)apie guid(cid:288)e pa(cid:396) i(cid:373)age(cid:396)ie. L’effet (cid:396)adiose(cid:374)si(cid:271)ilisa(cid:374)t pou(cid:396)(cid:396)a (cid:289)t(cid:396)e g(cid:288)(cid:374)(cid:288)(cid:396)(cid:288) au (cid:373)o(cid:373)e(cid:374)t le
plus opportun, d(cid:288)te(cid:396)(cid:373)i(cid:374)(cid:288) à pa(cid:396)ti(cid:396) des do(cid:374)(cid:374)(cid:288)es fou(cid:396)(cid:374)ies pa(cid:396) l’i(cid:373)age(cid:396)ie. Ce travail de thèse
consistait à (cid:272)o(cid:374)(cid:272)e(cid:448)oi(cid:396), s(cid:455)(cid:374)th(cid:288)tise(cid:396) des (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) (cid:396)e(cid:272)ou(cid:448)e(cid:396)tes de liga(cid:374)ds
(cid:373)a(cid:272)(cid:396)o(cid:272)(cid:455)(cid:272)li(cid:395)ues, (cid:272)o(cid:374)(cid:374)us pou(cid:396) leu(cid:396) fo(cid:396)t pou(cid:448)oi(cid:396) (cid:272)o(cid:373)ple(cid:454)a(cid:374)t d’io(cid:374)s d’i(cid:374)t(cid:288)(cid:396)(cid:289)t pou(cid:396) l’imagerie
(Gd3+ pou(cid:396) l’IRM, 111In3+ pour la TEMP et 64Cu2+ pour la TEP). Le potentiel des différentes
nanoparticules, à joue(cid:396) le (cid:396)ôle d’age(cid:374)t de (cid:272)o(cid:374)t(cid:396)aste (cid:373)ulti(cid:373)odal (cid:894)IRM, i(cid:373)age(cid:396)ie (cid:374)u(cid:272)l(cid:288)ai(cid:396)e(cid:895) et
d’age(cid:374)t (cid:396)adiose(cid:374)si(cid:271)ilisa(cid:374)t a été évalué.
L’(cid:288)tude de (cid:271)iodist(cid:396)ibution par imagerie TEMP/CT chez des souris a montré une libre
circulation des nanoparticules et une élimination rénale avec une présence modérée des
(cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules da(cid:374)s le foie (cid:395)ui (cid:374)’est, cependant, pas due à un ph(cid:288)(cid:374)o(cid:373)(cid:287)(cid:374)e d’opso(cid:374)isatio(cid:374).
L’(cid:288)tude pa(cid:396) IRM du (cid:272)e(cid:396)(cid:448)eau de (cid:396)ats po(cid:396)ta(cid:374)t u(cid:374) gliosa(cid:396)(cid:272)o(cid:373)e a i(cid:374)di(cid:395)u(cid:288) u(cid:374)e a(cid:272)(cid:272)u(cid:373)ulatio(cid:374)
significative des nanoparticules Au@TADOTAGA-Gd3+ au sein de la tumeur. Enfin le co-
(cid:373)a(cid:396)(cid:395)uage des (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) pa(cid:396) Gd3+ et 64Cu2+ (complexées par les ligands
macrocycliques) a permis de suivre ces objets, chez le même animal, après injection
intraveineuse, à la fois par TEP et IRM dont la combinaison bien que très recherchée est
(cid:396)a(cid:396)e(cid:373)e(cid:374)t (cid:373)ise e(cid:374) œu(cid:448)(cid:396)e. Cette étude a confirmé la libre circulatio(cid:374), l’(cid:288)li(cid:373)i(cid:374)atio(cid:374) (cid:396)(cid:288)(cid:374)ale, la
légère capture hépatique et l’a(cid:272)(cid:272)u(cid:373)ulatio(cid:374) au sei(cid:374) de la tu(cid:373)eu(cid:396) (carcinome mammaire).
Le caractère radiosensibilisant de la suspension de nanoparticule Au@TADOTAGA a été
confirmé par le suivi de croissance tumorale après traitement par irradiation MRT
(microfaisceaux) 15 minutes après l’i(cid:374)je(cid:272)tio(cid:374) des (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules par voie intratumorale. Le
gai(cid:374) th(cid:288)(cid:396)apeuti(cid:395)ue de la (cid:373)ise e(cid:374) œu(cid:448)(cid:396)e de (cid:272)e t(cid:396)aite(cid:373)e(cid:374)t a e(cid:374)suite (cid:288)t(cid:288) validé par une
irradiation MRT 24 heures ap(cid:396)(cid:287)s l’i(cid:374)je(cid:272)tio(cid:374) i(cid:374)t(cid:396)a(cid:448)eineuse des nanoparticules à des rats
portant un gliosarcome (tumeur radiorésitante dans un organe radiosensible).
Ce travail a montré que les nanoparticules d’o(cid:396) (cid:396)e(cid:272)ou(cid:448)e(cid:396)tes de liga(cid:374)ds (cid:373)a(cid:272)(cid:396)o(cid:272)(cid:455)(cid:272)li(cid:395)ues de
type DOTA présentent un fort potentiel pour la radiothérapie guidée par imagerie.
6
Abstract
The original properties of nanoparticles make them extremely attractive in the field of
oncology. In fact, nanoparticles can be designed for combining imaging and therapy with
only one object. Therefore, multifunctional platforms are very promising for image-guided
therapy, which constitutes an important step towards personalization of treatment. This
consists of stimulating the therapeutic activity of the nanoparticles when their accumulation
is high within the tumor zone and low in healthy tissues. A higher selectivity of the treatment
is therefore expected. The aim of this PhD work was to synthesize gold nanoparticles coated
by macrocyclic ligands, known for their high complexing aptitude of ions widely used for
imaging (Gd3+ for MRI, 111In3+ for SPECT and 64Cu2+ for PET). The potential of those
nanoparticles to combining imaging multimodalities and radiosenzitation was evaluated.
Biodistribution study by SPECT/CT has shown free circulation, renal elimination and a
moderate retention by the liver of the nanoparticles. However, this retention is not due to
the opso(cid:374)isatio(cid:374) p(cid:396)o(cid:272)essus. The MRI stud(cid:455) of (cid:396)ats’ (cid:271)(cid:396)ai(cid:374) (cid:272)a(cid:396)(cid:396)(cid:455)i(cid:374)g a gliosa(cid:396)(cid:272)o(cid:373)a has sho(cid:449)(cid:374)
an accumulation of nanoparticles Au@TADOTAGA-Gd3+ in the tumor. Moreover, the co-
labeling of these nanoparticles by Gd3+ and 64Cu2+ was successfully performed. As a result,
PET/MRI images, a much researched combination but rarely achieved, were acquired on the
same animal after intravenous injection of the co-labeled nanoparticles. This study has
confirmed the free circulation, renal elimination, low hepatic capture and tumor
accumulation (carcinoma).
The radiosensitizing character of nanoparticles Au@TADOTAGA was confirmed by the follow
up of tumor growth after a treatment by MRT (microbeam irradiation) 15 minutes after
intratumoral injection of nanoparticles. The therapeutic gain of this treatment has been
validated by MRT 24 hours after intravenous injection of nanoparticles to rats carrying
gliosarcoma (radioresistant tumor in radiosensitive organ).
Owing to their composition, these gold nanoparticles coated by macrocyclic ligand (DOTA-
like) exhibit therefore a high potential for image-guided radiotherapy.

7
Table des matières

Glossai(cid:396)e…………………………………………………………………………………………………………………………….(cid:1005)2
I(cid:374)t(cid:396)odu(cid:272)tio(cid:374) g(cid:288)(cid:374)(cid:288)(cid:396)ale…………………………………………………………………………………………………..…(cid:1005)6
1. Chapitre 1 : Na(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) pou(cid:396) le t(cid:396)aite(cid:373)e(cid:374)t du (cid:272)a(cid:374)(cid:272)e(cid:396)……..………………..……………22
1.1. Introduction ................................................................................................................... 24
1.2. Les nanoparticules ......................................................................................................... 25
1.2.1. Généralités sur les nanoparticules......................................................................... 25
1.2.2. Synthèse des différents types de nanoparticules .................................................. 27
1.2.2.1. P(cid:396)op(cid:396)i(cid:288)t(cid:288)s i(cid:374)(cid:288)dites des (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) .................................................. 27
1.2.2.2. Les « nanosphères » ....................................................................................... 29
1.2.2.3. Les (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules de t(cid:455)pe (cid:272)œu(cid:396)-coquille ..................................................... 30
1.2.2.4. Les nanobâtonnets ......................................................................................... 31
1.2.2.5. Les nanostructures de forme complexe ......................................................... 32
1.3. Oncologie....................................................................................................................... 34
1.3.1. Les tumeurs ............................................................................................................ 34
1.3.1.1. Généralités ...................................................................................................... 34
1.3.1.2. Naissa(cid:374)(cid:272)e d’u(cid:374)e tu(cid:373)eu(cid:396) ................................................................................. 35
1.3.1.3. Développement : l’a(cid:374)gioge(cid:374)(cid:287)se ..................................................................... 36
1.3.1.4. Physiologie des tumeurs ................................................................................. 37
1.3.2. Formulation des nanoparticules pour la thérapie ................................................. 39
1.3.2.1. Voie d’ad(cid:373)i(cid:374)ist(cid:396)atio(cid:374) ..................................................................................... 39
1.3.2.2. Toxicité ............................................................................................................ 40
1.3.2.3. Biodistribution et élimination......................................................................... 41
1.4. Les p(cid:396)op(cid:396)i(cid:288)t(cid:288)s i(cid:374)t(cid:396)i(cid:374)s(cid:287)(cid:395)ues de l’o(cid:396) au se(cid:396)(cid:448)i(cid:272)e de l’i(cid:373)age(cid:396)ie et de la (cid:396)adioth(cid:288)(cid:396)apie .... 43
8
1.4.1. Les pa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) : age(cid:374)ts de (cid:272)o(cid:374)t(cid:396)aste pou(cid:396) l’i(cid:373)age(cid:396)ie X .................................. 43
1.4.2. La radiosensibilisation ............................................................................................ 45
1.5. Les (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) : agent de contraste radiosensibilisant .................................. 47
1.5.1. P(cid:396)i(cid:374)(cid:272)ipe et p(cid:396)op(cid:396)i(cid:288)t(cid:288)s de l’IRM ............................................................................. 48
1.5.2. P(cid:396)i(cid:374)(cid:272)ipe de l’i(cid:373)age(cid:396)ie (cid:374)u(cid:272)l(cid:288)ai(cid:396)e ............................................................................ 50
1.5.3. Agent de contraste multimodal ............................................................................. 52
1.6. La thérapie guidée par imagerie ................................................................................... 53
1.7. Présentation du travail de thèse ................................................................................... 57
Chapit(cid:396)e (cid:1006) : S(cid:455)(cid:374)th(cid:287)se et (cid:272)a(cid:396)a(cid:272)t(cid:288)(cid:396)isatio(cid:374)…………………………………………………………………………..66
2.1. Introduction ................................................................................................................... 67
2.2. S(cid:455)(cid:374)th(cid:287)se des (cid:374)a(cid:374)opa(cid:396)ti(cid:272)ules d’o(cid:396) (cid:396)e(cid:272)ou(cid:448)e(cid:396)tes de liga(cid:374)ds (cid:373)a(cid:272)(cid:396)o(cid:272)(cid:455)(cid:272)li(cid:395)ues ................. 69
2.2.1. Ligands macrocycliques ......................................................................................... 69
2.2.2. Préparation des différentes nanoparticules .......................................................... 71
2.2.2.1. Synthèse des nanoparticules Au@DTDOTA, Au@TADOTA et Au@TADOTAGA
71
2.2.2.2. Purification...................................................................................................... 72
2.2.2.3. Solution injectable .......................................................................................... 73
2.2.3. Complexation du gadolinium ................................................................................. 73
2.2.4. Radiomarquage des nanoparticules ...................................................................... 74
2.2.4.1. Co(cid:373)ple(cid:454)atio(cid:374) de l’i(cid:374)diu(cid:373) (cid:1005)(cid:1005)(cid:1005) ....................................................................... 74
2.2.4.2. Complexation du cuivre 64 ............................................................................. 75
2.3. Caractérisation .............................................................................................................. 75
2.3.1. Spectrophotométrie UV visible .............................................................................. 76
2.3.2. Microscope électronique à transmission ............................................................... 76
2.3.3. Mesure du diamètre hydrodynamique et du potentiel Zêta................................. 76
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