Mechanisms of nanoparticles delivery of proteins in airway epithelial cells

Utilisation de nanoparticules pour délivrer des protéines dans les épithéliums respiratoires. Caractérisation des mécanismes impliqués. L’administration de médicaments par les voies respiratoires humaines est un domaine de la recherche en pleine expansion. Un effort croissant est porté sur le développement de systèmes innovants capables d’échapper aux mécanismes de clairance des voies respiratoires, d’améliorer la biodisponibilité des molécules d’intérêt, leur absorption dans la muqueuse et leur efficacité thérapeutique. Dans ce contexte, le but de ce travail était d’évaluer le potentiel de nanoparticules polysaccharidiques cationiques et poreuses (NP+) comme vecteurs de protéines à travers les voies respiratoires humaines. Les NP+ sont utilisées avec succès in vivo, comme vecteurs mucosaux dans de nombreuses applications telles que la vaccination, l’allergie, la thérapie anticancéreuse et la délivrance de molécules thérapeutiques. Cependant, les mécanismes d’interaction de ces nanoparticules avec les cellules épithéliales des voies respiratoires sont peu connus. Nous avons étudié l’endocytose, l’exocytose et la localisation intracellulaire de ces nanoparticules dans des cellules épithéliales bronchiques humaines. Leur toxicité a été évaluée sur ces cellules et plus particulièrement leur cytotoxicité et leur génotoxicité. Enfin, nous avons étudié et caractérisé les mécanismes de délivrance intracellulaire de protéines par ces nanoparticules et l’influence de leur composition interne sur ces mécanismes. Nos travaux montrent une endocytose rapide des NP+ par la voie des clathrines, ainsi qu’une importante exocytose par des mécanismes dépendant du cholestérol. Elles sont localisées dans les vésicules de clathrines, les endosomes précoces et pas dans les endosomes tardifs, ni dans les lysosomes. De manière ces nanoparticules s’associent quantitativement aux protéines et augmentent leur délivrance intracellulaire, tout en les protégeant de l’hydrolyse enzymatique à pH physiologique. De plus, la présence de lipides anioniques dans leur structure interne influence significativement les mécanismes d’interactions avec les cellules et de délivrance intracellulaire de protéines. Enfin, les études de toxicité ne montrent aucune cytotoxicité ni génotoxicité à des concentrations < 326 µg/cm2. Ces concentrations sont toutefois très élevées et difficilement atteignables in vivo. En conclusion, les NP+ ne sont pas toxiques sur les cellules épithéliales des voies respiratoires, elles interagissant fortement avec celles-ci et augmentent significativement la délivrance de protéines. Ce travail souligne l’intérêt de développer ce type de nanoparticules pour la délivrance de molécules d’intérêt pharmaceutique à travers les voies respiratoires humaines.Drug delivery through the human respiratory tract is a promising field under investigation. A growing effort is focused on developing innovative delivery systems able to escape the clearance mechanisms of the respiratory tract, to improve molecules bioavailability, their absorption and their therapeutic efficacy, in the respiratory mucosa. In this context, the aim of this study was to evaluate the potential of polysaccharide cationic porous nanoparticles (NP+) as airway vectors for proteins. NP+ are successfully used as mucosal vectors in vivo, in many applications, including vaccination, allergy, cancer therapy and drug delivery. However, the mechanisms of NP+ interaction with airway epithelial cells remain poorly understood. We investigated the endocytosis, the exocytosis and the intracellular localization of NP+ in human bronchial epithelial cells. We assessed their toxicity on these cells, and particularly their cyto- and genotoxicity. Finally, we studied and characterized the mechanisms of intracellular delivery of proteins by these nanoparticles, and the influence of their inner composition, on these mechanisms. Our results showed a rapid uptake of NP+ via the clathrin endocytosis pathway, and a significant exocytosis via a cholesterol-dependent mechanism. Moreover, NP+ were located in clathrin vesicles, early endosomes but not in late endosomes nor lysosomes. Interestingly, these nanoparticles quantitatively associated proteins and increased their intracellular delivery, while protecting them from enzymatic degradation at physiological pH. Moreover, the presence of anionic lipids in their inner structure significantly influences their interaction with cells and the mechanisms of intracellular delivery. Finally, toxicity studies show no genotoxicity or cytotoxicity of these nanoparticles at concentrations below 326&#956;g/cm². However, these concentrations are very high and hardly realistic in vivo. In summary, NP+ are not toxic to airway epithelial cells, they strongly interact with these cells and significantly increase protein delivery. This work highlights the importance of developing this type of nanoparticles to deliver molecules via the human respiratory tract