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Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Edition 2013


Polytransflow


Transfert de nanovecteurs polymères, de l'écoulement sanguin aux tumeurs

Transfert de nanovecteurs polymères, de l’écoulement sanguin aux tumeurs: PolyTransFlow
Dans le domaine du transport et la libération de médicaments via des nanovecteurs, le phénomène de margination, i.e la migration latérale dans le sang des vecteurs reste mal comprise tout en étant un élément clé. La raison est que la vie du vecteur après injection va mettre en jeu divers processus liés à la mécanique et physique, la chimie et la biologie. Le but de ce projet est de clarifier les conditions menant les polymersomes, nanovecteurs pour la médecine, du sang aux tumeurs.

Verrous scientifiques
L’étude des polymersomes, un type de particules déformables destinées à la vectorisation, connaît un intérêt croissant en biologie, chimie et pharmacologie de par leur biocompatibilité, la possibilité d’encapsuler aussi bien des principes actifs hydrophiles qu’hydrophobes, la possibilité de les modifier chimiquement et ainsi de moduler leurs propriétés physico-chimiques à façon pour obtenir la meilleure furtivité vis à vis du système immunitaire.
Dans un premier temps, les phénomènes hydrodynamiques conduisant au phénomène de margination seront étudiés en visualisant l’écoulement de suspensions binaires de vecteurs et globules rouges et au-delà de particules déformables de rigidité différente. Le but est de quantifier la distribution des particules dans l’écoulement et sa variation avec les propriétés mécaniques des polymersomes ou des particules utilisées.
La deuxième partie du projet consiste à étudier le passage des nanovecteurs à travers le tapis de cellules endothéliales et les jonctions dans le tissu conjonctif. Cette étape est cruciale pour la libération efficace des principes actifs contenus dans les polymersomes au sein des zones tumorales. Le but est de mimer cette zone par une chambre microfluidique équipée de pores dont la largeur caractéristique est de l’ordre de la centaine de nanomètres et de suivre et quantifier la progression des polymersomes à travers cette structure.
Finalement, la dernière partie vise à confronter nos précédents résultats avec la réalité du vivant en étudiant la diffusion et la localisation des polymersomes dans des sphéroïdes mais aussi dans la souris via des chambres dorsales d’observation. Le but est de déterminer si l’efficacité présumée par les expériences in vitro sera confirmée par les analyses in vivo.

Méthodes et approches
Si le projet PolyTransFlow est interdisciplinaire, les approches utilisées sont transdisciplinaires – biologie, chimie, mécanique et physique – permettant de croiser les résultats obtenus afin de mieux les interpréter et de profiter des compétences des quatre partenaires impliqués, IPBS, IRMCP, IRPHE et LAAS respectivement. Les méthodologies associent aussi les travaux :
- in vitro sur des systèmes modèles en microfluidique,
- in vivo par l’étude sur la souris du transport des polymersomes sélectionnés par les études in vitro
- in silico en simulant la dynamique de polymersomes sous écoulement pour une meilleure compréhension des forces mises en jeu.
Les études portent sur la fabrication des polymersomes par différentes méthodes, leur caractérisation physico-chimique et leur comportement en écoulement dans le sang (in vitro et in vivo) ou des suspensions modèles (in vitro). Ces dernières expériences sont menées dans des puces microfluidiques (échelle des vaisseaux sanguins) et nanofluidiques (échelle de la distance entre les cellules endothéliales).

Résultats

* Etude théorique de la stabilité d’un polymersome tubulaire: rôle de la viscosité membranaire
* Caractérisation des polymersomes en fonction du processus de fabrication, de la centaine de nanomètres à la dizaine de micromètres
* Etude du cas d’une goutte à surface visqueuse: implémentation de la force membranaire due à la viscosité surfacique de cisaillement dans un code numérique utilisant la méthode des intégrales de frontière.

Perspectives

* Etablir un cahier des charges pour rendre optimal le transport des vecteurs tels que les polymersomes du sang aux tumeurs.
* Mettre en évidence in vitro, in silico et in vivo les paramètres clés contrôlant la margination, le transfert à travers l’endothélium et le tissu conjonctif.

Productions scientifiques et brevets

- 1 article dans une revue scientifique internationale de rang A + 1 soumis
- 1 communication orale dans une conférence internationale
- 2 communications affichées dans des conférences nationales

Partenaires

UMR CNRS 5089 Institut de Pharmacologie et Biologie Structurale (IPBS)

UMR CNRS 7342 Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors-Equilibre

UPR CNRS 8001 Lab. d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS)

UMR CNRS 5623 Lab. des Interactions Moléculaires et Réactivités Chimique et Photochimique (IMRCP)

Aide de l'ANR 542 760 euros
Début et durée du projet scientifique novembre 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

Dans le domaine de la vectorisation d’anticancéreux, il existe un énorme décalage entre le nombre élevé d’articles sur les vecteurs polymères et l’absence d’explication claire sur leur transport et leur devenir dans le flux sanguin. L’influence de la margination (migration d’objets du centre du vaisseau sanguin vers sa paroi) sur le passage du vecteur du vaisseau au tissu tumoral reste un phénomène inexpliqué. Une des raisons est que, pour arriver jusqu’à la tumeur, le vecteur doit subir différents événements, liés à la mécanique (hémodynamique, propriétés mécaniques du vecteur…), à la chimie (chimie de surface, taille, charge…) et à la biologie (cellules différentes, nombreuses protéines…). Ce projet a donc pour but d’examiner l’étape qui permet à un certain type de vecteurs, les polymersomes, de migrer du flux sanguin vers la tumeur.
Les polymersomes (particules déformables) connaissent un engouement croissant en biologie, chimie et pharmacologie du à leur biocompatibilité, la possibilité de les modifier chimiquement et leurs propriétés physico-chimiques qui évitent leur élimination du système sanguin par le système phagocytaire mononucléaire.
Ce projet est divisé en trois parties, chacune apportant une réponse à une certaine échelle du problème, et chacune approchant de plus en plus de la réalité biologique.
Dans une première étape, les processus hydrodynamiques menant à la margination seront caractérisés pour la première fois, sur une suspension binaire de polymersomes et de globules rouges (GR) non agrégés. Les objectifs sont de déterminer si les polymersomes migrent vers le bord du vaisseau comme les plaquettes et de quantifier (mesures de profils de concentration) la margination en fonction des propriétés mécaniques des polymersomes (plus ou moins rigides). Des simulations récentes ont mis en évidence la margination dans certains cas mais restent limitées par l’absence de données expérimentales. Ainsi, le rôle suggéré de la fréquence des collisions hydrodynamiques homogènes et hétérogènes entre les GRs, les polymersomes et la paroi sera évalué en modulant la distribution spatiale initiale des polymersomes.
La deuxième partie examinera le transfert des nanovecteurs à travers les disjonctions cellulaires présentes au voisinage des tumeurs solides. Cette étape est indispensable pour leur transfert efficace vers les tumeurs, grâce à l’effet dit EPR (Enhanced Permeability and Retention), processus sans interaction spécifique avec les cellules endothéliales. Notre projet sera le premier à mimer la taille critique de ces disjonctions, grâce au design de canaux synthétiques possédant des pores contrôlables jusqu’à des tailles aussi petites que 100 nm et à la possibilité de suivre chaque polymersome individuellement. Le passage à travers les bifurcations sera analysé statistiquement en fonction du nombre de Péclet (mouvement brownien), de différents paramètres géométriques et forces externes provenant d’une différence de pression ou de gradients ioniques, à la fois en absence et en présence de GRs.
Enfin, la dernière partie du travail se rapproche de la réalité par plusieurs méthodes. Tout d’abord, afin de mieux comprendre la biodistribution des polymersomes, leur pénétration à la fois dans des cellules endothéliales et cancéreuses sera analysée en 2D mais aussi 3D par l’utilisation de sphéroides multicellulaires. Ce travail permettra d’appréhender les affinités comparées des vecteurs pour chaque type de cellule. Finalement, la possibilité de suivre les vecteurs de façon individuelle in vivo dans des souris par la méthode de la chambre dorsale offre l’opportunité de comparer la dynamique des nanovecteurs dans le vivant à celle dans les systèmes modèles.
L’objectif de ce projet est donc de fournir une analyse à la fois multi-échelle et multi-disciplinaire du transport hydrodynamique des vecteurs synthétiques dans les vaisseaux sanguins et à travers les disjonctions cellulaires, étapes clés avant le relargage de médicament.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2013

Référence projet : ANR-13-BS09-0015

Coordinateur du projet :
Monsieur Marc LEONETTI (Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors-Equilibre)
leonetti@nullirphe.univ-mrs.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.