Imagerie de fluorescence

Introduction

Les thérapies anticancéreuses moléculaires, y compris les petites molécules, les anticorps, les peptides et les acides nucléiques, sont l’une des rares options de traitement viables pour les tumeurs délocalisées, métastatiques et inopérables, ainsi que les tumeurs qui ne peuvent pas être détectées à l’aide de modalités d’imagerie clinique conventionnelles. Le traitement des tumeurs opérables chirurgicalement avec des thérapies moléculaires est également souhaitable, car elles sont moins invasives que la chirurgie et ont le potentiel de causer moins de dommages aux tissus sains environnants. Idéalement, une thérapeutique moléculaire se localisera sélectivement sur un site tumoral après administration intraveineuse. Une fois localisée dans le tissu tumoral, la thérapeutique va soit éradiquer les cellules cancéreuses, soit les faire revenir à un état de repos. En réalité, les molécules thérapeutiques sont confrontées à un certain nombre de barrières biologiques qui les empêchent de se localiser sélectivement sur le site d’action sous une forme active. Les thérapies à base d’acides nucléiques, y compris les ARNSI, peuvent être inactivées par des nucléases endogènes, tandis que de nombreuses molécules chimiothérapeutiques sont séquestrées dans des populations cellulaires hors cible. Les chimiothérapeutiques à petites molécules qui interagissent avec les cellules cancéreuses cibles peuvent être expulsées par des transporteurs d’efflux de médicaments. Les barrières physiques, y compris l’endothélium, peuvent limiter le transport des molécules thérapeutiques du système vasculaire dans les tissus tumoraux. Les molécules thérapeutiques qui contournent l’endothélium et pénètrent dans le microenvironnement tumoral peuvent se diffuser dans la circulation systémique avant d’interagir avec les cellules cibles. Des barrières au niveau cellulaire, y compris la membrane plasmique, peuvent empêcher l’accumulation intracellulaire de molécules thérapeutiques.

L’inefficacité avec laquelle de nombreuses classes de thérapies anticancéreuses moléculaires localisent de la circulation systémique au site d’action est un défi important pour leur traduction clinique. La coformulation d’une thérapeutique moléculaire avec un véhicule d’administration thérapeutique à l’échelle nanométrique (NDV) peut améliorer sa localisation sélective sur le site d’action.

Les NDV sont des nanomatériaux, dont la taille varie généralement de 10 à 100 nm, qui sont composés de composés organiques tels que des lipides et des polymères et / ou des matériaux inorganiques, notamment de l’or, de l’oxyde de fer et de la silice. Seuls, les NDV ne possèdent généralement pas de capacités thérapeutiques. Au lieu de cela, ils agissent comme un transporteur, transportant des thérapies moléculaires du site d’administration au site d’action. Après la localisation sur le site d’action, le NDV libère sa cargaison thérapeutique, ce qui lui permet d’interagir sélectivement avec sa ou ses cibles moléculaires. En raison de leur échelle de taille unique, les NDV interagissent avec les systèmes biologiques d’une manière fondamentalement différente de la thérapeutique moléculaire. En conséquence, les NDV peuvent surmonter bon nombre des barrières de transport biologique auxquelles sont confrontées les thérapies moléculaires. La plupart des NDV sont plus grands que la taille de coupure de filtration glomérulaire dans le rein. En même temps, les NDV bien dispersés sont généralement plus petits que la taille de coupure de filtration splénique. En conséquence, les NDV sont physiquement confinés au compartiment vasculaire, ce qui leur permet de circuler dans le sang pendant une période prolongée.

Bien que les NDV soient plus grands que les jonctions interendothéliales des tissus sains, ils sont souvent plus petits que les pores endothéliaux élargis dans le lit vasculaire des tumeurs à expansion rapide. Après extravasation dans un microenvironnement tumoral, la taille relativement importante d’un NDV permet de le retenir dans le tissu. En fonctionnalisant la surface d’un NDV avec des molécules hydrophiles neutres, son association au sein de cellules hors cible peut être minimisée. En attachant ensuite des molécules de ciblage, l’interaction d’un NDV avec une population de cellules cibles peut être favorisée. Les NDV peuvent être internalisés dans les cellules cancéreuses par endocytose, ce qui leur permet de contourner les transporteurs d’efflux de médicaments, et peuvent être conçus pour s’échapper de l’endosome, ce qui leur permet d’administrer des produits thérapeutiques à des compartiments subcellulaires spécifiques. En plus de surmonter de nombreux obstacles à l’administration de thérapies moléculaires, les NDV peuvent également améliorer la solubilité de molécules thérapeutiques hydrophobes qui ne conviennent pas à une administration directe.

Un certain nombre de formulations de NDV ont été développées avec succès pour administrer des traitements anticancéreux moléculaires spécifiquement à leur site d’action. Certaines chimiothérapies coformulées avec des liposomes et des nanostructures polymères ont même été traduites en pratique clinique. Ces formulations ont montré une réduction considérable des effets secondaires indésirables par rapport à l’administration de molécules thérapeutiques libres. Cependant, les performances cliniques et précliniques de nombreux VND ont été décevantes. Bien que les NDV aient réussi à limiter la toxicité hors cible en évitant l’accumulation dans les tissus sensibles, de nombreuses formulations apportent peu d’amélioration des résultats thérapeutiques. Comme les thérapies moléculaires, les NDV sont confrontés à des barrières biologiques qui les empêchent de se localiser efficacement sur le site d’action. Par exemple, les NDV peuvent être rapidement éliminés du sang après une administration intraveineuse par des macrophages du système phagocytaire mononucléaire (MPS) résidant dans le foie, la rate, la moelle osseuse et les ganglions lymphatiques. Les macrophages MPS sont spécialisés pour reconnaître, engloutir et détruire les particules étrangères et les débris cellulaires. Dans le lit vasculaire de la tumeur, la perméabilité des pores endothéliaux est souvent inégale, certaines zones d’une tumeur étant très perméables aux NDV, alors que d’autres ne le sont pas. En conséquence, les VND perfusent souvent le microenvironnement tumoral de manière inégale. Les NDV qui s’extravasent dans le microenvironnement tumoral peuvent être empêchés de diffuser dans la matrice extracellulaire collagénique dense qui entoure les cellules tumorales.

En raison de leurs dimensions à l’échelle nanométrique, les NDV possèdent une énorme liberté de conception. La variation de la structure d’un NDV, y compris sa taille, sa forme, sa chimie de surface et sa composition, peut avoir un effet dramatique sur son trafic au sein d’un système biologique. Pourtant, il n’est pas clair comment la structure d’un NDV influence ses interactions biologiques, ce qui rend difficile l’exploitation de la liberté de conception pour surmonter les barrières biologiques auxquelles il est confronté. En conséquence, la plupart des NDV sont formulés sur la base de principes de conception ad hoc et de l’intuition du concepteur. La capacité de suivre dynamiquement le processus d’administration, y compris le transport d’un NDV dans un système biologique et son profil de libération thérapeutique, peut fournir une rétroaction critique pendant le processus de conception. Le suivi dynamique permet à un concepteur d’identifier les barrières biologiques spécifiques empêchant la localisation d’un NDV sur le site cible. Par exemple, un NDV destiné à diffuser profondément dans un microenvironnement tumoral peut être séquestré dans l’espace périvasculaire entourant les vaisseaux sanguins tumoraux. Alternativement, un NDV destiné à s’internaliser au sein d’une population de cellules cibles peut à la place n’adhérer qu’à la membrane cellulaire. Une autre formulation de NDV peut s’internaliser dans une cellule cible, mais peut ne pas libérer efficacement sa cargaison thérapeutique. Dans ces scénarios, l’identification de la barrière biologique pertinente fournit au concepteur des informations précieuses qui peuvent être utilisées pour reformuler le NDV afin de surmonter la barrière. En même temps, le suivi dynamique du processus d’administration thérapeutique fournit des informations fondamentales sur les mécanismes par lesquels les NDV interagissent avec les systèmes biologiques et peuvent être utilisés pour établir des relations entre la conception d’un NDV et son comportement biologique résultant. Ces informations peuvent être utilisées pour guider la conception de nouvelles formulations de NDV.

Pour qu’un NDV soit suivi par imagerie optique, il doit générer un contraste optique. Cependant, la plupart des NDV classiques, y compris les liposomes, les nanoparticules polymères, les nanoparticules d’oxyde de fer et les nanoparticules d’or, ne génèrent pas de contraste optique de manière endogène. Au lieu de cela, ils doivent être modifiés avec des étiquettes optiques exogènes, telles que des fluorophores moléculaires. Cependant, la modification d’un NDV avec une étiquette exogène présente plusieurs inconvénients. Si l’étiquette est fixée à la surface du NDV, elle peut favoriser des interactions hors cible. Par exemple, les étiquettes exogènes peuvent faciliter la reconnaissance d’un NDV par les macrophages résidents des tissus du MPS, améliorant ainsi le taux de clairance du sang. Deuxièmement, l’étiquette exogène peut avoir un impact négatif sur les propriétés physico-chimiques du NDV, altérant l’efficacité et la dynamique du chargement et de la libération thérapeutiques. Enfin, les étiquettes exogènes peuvent se dissocier du NDV lors du trafic au sein d’un système biologique, produisant des artefacts pendant le processus d’imagerie. Pour éviter ces inconvénients, il est souhaitable que le NDV soit formulé à l’aide d’une plate-forme de nanomatériaux possédant un contraste optique endogène. Les nanocristaux semi-conducteurs, également appelés points quantiques (QDs), sont l’une de ces plates-formes de nanomatériaux. Lorsqu’un QD est excité avec des photons de lumière avec une énergie suffisante, un électron dans sa bande de valence est promu dans la bande de conduction, créant une paire électron-trou excité. Si le QD est composé d’un semi-conducteur à bande interdite directe, la désexcitation de la paire électron-trou entraîne l’émission d’un photon de lumière. La longueur d’onde du photon émis dépend à la fois de la taille du QD et de sa composition chimique. En plus de générer un contraste optique endogène, les QD possèdent également une grande surface fonctionnelle pouvant être greffée avec des molécules thérapeutiques. Cela permet au QD d’agir comme un véhicule d’administration thérapeutique à l’échelle nanométrique (NDV). Les QD qui agissent comme des NDV sont appelés points quantiques théranostiques car ils combinent les capacités diagnostiques du noyau QD avec les capacités thérapeutiques des molécules thérapeutiques attachées.

Ce chapitre explore le développement et l’application des QDs théranostiques. La première section traite de la conception et de la synthèse des QDs théranostiques. La deuxième section met en évidence l’application des QDs théranostiques pour l’administration thérapeutique traçable, montrant comment ils peuvent être utilisés pour valider et optimiser une formulation, pour élucider les mécanismes fondamentaux de l’interaction avec les systèmes biologiques et pour développer des relations structure-activité. Malgré un nombre croissant d’études précliniques démontrant le potentiel du QDs pour des applications diagnostiques et thérapeutiques, aucune formulation à base de QD n’a été traduite en clinique. La troisième section traite de la toxicité comme obstacle majeur à la traduction clinique du QDs théranostique. La dernière section se termine en discutant des développements futurs dans ce domaine, en soulignant la nécessité d’un QDs théranostique qui puisse être plus facilement traduit en pratique clinique.