Formulation of glyco-nanostructures via photo-RAFT polymerization induced self-assembly in aqueous dispersion
Glyco-nanostructures formulées via autoassemblage induit par photo-polymérisation RAFT en dispersion aqueuse
Résumé
Soft nanostructures obtained by the self-assembly of amphiphilic copolymers (ACP) are of great relevance for nanomedecine, where they can be used as Drug Delivery Systems (DDSs). Among these DDSs, those with vesicular morphology (polymersomes) are under intense scrutiny, thanks to their interesting multi-compartmental morphology allowing the simultaneous encapsulation of both hydrophilic and hydrophobic drugs. Amphiphilic glycopolymers (AGPs), amphiphilic copolymers associating hydrophilic polysaccharides and hydrophobic polymers, are potential candidates for the formulation of DDSs due to the biodegradability, non-toxicity and tunable biocompatibility of polysaccharides. However, spherical micelles and core/shell nanoparticles have been frequently reported in case of the self-assembly of AGPs, which could be a limitation to their development. Herein, an emerging one-pot methodology named Polymerization-Induced Self-Assembly (PISA) in aqueous dispersion, enables producing self-assembled polymeric nanostructures directly in aqueous media, was used to fill the lack of AGPs in terms of self-assembly. More precisely, in the framework of this Ph.D., a water-soluble monomer (2-hydroxypropyl methacrylate, HPMA), forming a hydrophobic polymer, is polymerized from a water-soluble dextran derivative containing multiple chain transfer agent groups (DexCTA). Photo-mediated reversible addition-fragmentation chain transfer (photo-RAFT) was used to grow hydrophobic grafts of PHPMA from DexCTA to produce dextran-gN-PHPMAx, where N and X are respectively the number and the degree of polymerization of PHPMA grafts. As the PHPMA grafts increase, the glycopolymers become amphiphilic inducing its self-assembly to form glyco-nanostructures (GNSs). A deep physico-chemical investigation on such GNSs was carried out using advanced techniques, including radiation scattering (scattering of light, neutrons and small angle X-rays) and imaging techniques such as (cryo-) transmission electron microscopy (cryo-) TEM. This investigation revealed the ability of dextran-gN-PHPMAX to form nano-objects of advanced morphology (including vesicular one) in water via PISA process. These first observations encouraged us to study the impact of the macromolecular parameters of these AGPs (number and size of grafts) and the experimental conditions (weight concentration and temperature) on the generated self-assembly morphology. In-situ monitoring of the morphology evolution during the PISA revealed the formulation of an original morphology (multi-hydrophilic core vesicles) never reported in case of AGPs. The use of dextran-gN-PHPMAX-based vesicles as DSSs was evaluated by examining: i) the cytotoxicity of such AGPs toward various cell models, ii) their stability in various hypotonic and hypertonic environments miming biologic media, iii) and their ability to encapsulate hydrophilic and hydrophobic drugs.
Les nano-objets polymères obtenus par auto-assemblage de copolymères amphiphiles intéressent les chercheurs en nanomédecine, qui envisagent de les employer comme systèmes de délivrance de médicaments (SDMs). Les objets de morphologie vésiculaire, nommée polymersomes, sont particulièrement attractifs car leur morphologie compartimentale permet d’encapsuler simultanément des principes actifs hydrophiles et hydrophobes. Les glycopolymères amphiphiles (GPAs), copolymères amphiphiles associant un polysaccharide hydrophile et une partie polymère hydrophobe, sont des candidats potentiels pour produire ces SDMs, étant donné la biocompatibilité, la biodégradabilité et la non-toxicité des polysaccharides. Cependant, les travaux de recherches portant sur l'auto-assemblage des GPAs via des stratégies multi-étapes décrivent principalement des nanostructures aux morphologies primitives (micelles sphériques ou nanoparticules cœur/couronne), freinant le développement de ces potentiels SDMs. Afin de contourner cette problématique, une méthodologie émergente nommée PISA (auto-assemblage induit par polymérisation) a été employée dans le cadre de ce doctorat pour produire en une seule étape une suspension de glyco-nanostructures (GNSs, nano-objets composés de GPAs auto-assemblés). Le procédé est ici basé sur la polymérisation d’un monomère hydrophile (2-méthacrylate d’hydroxypropyle, HPMA), formant un polymère hydrophobe à partir d’une conversion critique, à partir d’un stabilisant hydrosoluble dérivé du dextrane et porteur de multiples groupements agent de transfert (DexCTA). La polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation amorcée sous irradiation visible (photo-RAFT) a été employée pour faire croitre les greffons hydrophobes PHPMA à partir du DexCTA, et conduire à la synthèse de dextrane-gN-PHPMAX, où N et X sont respectivement le nombre et le degré de polymérisation des greffons PHPMA. Au fur et à mesure de l’accroissement des greffons PHPMA, les glycopolymères deviennent amphiphiles et s’auto-organisent in-situ pour former des GNSs. Une étude physico-chimique approfondie des GNSs formulées a été réalisée en utilisant des techniques avancées telles que la diffusion de rayonnement (diffusion de la lumière, des neutrons et des rayons X aux petits angles) et la (cryo-)microscopie électronique à transmission. Cette étude a révélé la capacité des dextrane-gN-PHPMAX à former des nano-objets de morphologie avancée (particulièrement vésiculaire) en phase aqueuse via la méthodologie PISA. Ces premières observations nous ont alors encouragés à étudier l’impact des paramètres macromoléculaires de ces copolymères (nombre et taille de greffons) et des conditions opératoires (concentration massique et température) sur la morphologie des GNSs produites. Un suivi in-situ de l’évolution de la morphologie a révélé la formation de nano-objets de morphologie originale (vésicules à multi-cœurs hydrophiles), jamais reportée dans le cas des GNSs. Le potentiel des vésicules de dextrane-gN-PHPMAX pour une utilisation comme SDMs a été évaluée en étudiant : i) la cytotoxicité de ces GPAs vis-à-vis de plusieurs cellules modèles, ii) leur stabilité dans des environnements hypotoniques et hypertoniques mimant les milieux biologiques, iii) et leur capacité à encapsuler des principes actifs hydrophobes et hydrophiles modèles.