Light induced thermal energy conversion of gold nanorods applied to gene therapy

La thérapie génique est probablement une des approches la plus ambitieuse de l'histoire de l'humanité pour éliminer des maladies résistantes à tout autre traitement. Cependant, c'est une approche qui doit encore être développée afin d'obtenir un meilleur contrôle du processus de délivrance des médicaments et aussi de réduire les coûts. À cette fin, ce projet de thèse est axé sur l’optimisation et le contrôle de la délivrance d’oligonucléotides basée sur l'utilisation de nanobâtonnets d'or (Gold NanoRods, GNRs). De telles nanoparticules (40 nm de long et 10 nm de diamètre) sont internalisées par les cellules et grâce à leurs propriétés physiques extraordinaires permettent de délivrer les médicaments dans le cytoplasme de manière contrôlée. En effet, leur absorption très élevée dans le proche infrarouge du spectre électromagnétique permet de convertir l’énergie lumineuse en chaleur à l’intérieur et autour des nanobâtonnets, sans affecter la cellule. L’avantage d’une absorption dans l’infrarouge est qu’à cette longueur d’onde la lumière pénètre profondément dans les tissus humains (3 cm). Le contrôle de la température autour des nanoparticules permet la libération d'oligonucléotides par simple dénaturation du duplex à un instant donné.L’obtention de nanoparticules pouvant être considérées comme un « cargo » implique de remplir les conditions suivantes : stabilité de la forme colloïdale en milieu complexe, conservation des propriétés physiques et chimiques une fois administrées et possibilité d’immobiliser et de libérer le médicament de manière contrôlée.La première étape de mon projet a consisté à établir un protocole de synthèse de nanobâtonnets d’or afin d’obtenir une solution colloïdale mono-disperse et dont la bande d’absorption de plasmon longitudinal soit dans le proche infrarouge. L'étape suivante était d’optimiser un protocole de fonctionnalisation de la surface des GNRs. Le défi ici est associé à l'agrégation des GNRs lorsque le surfactant (CTAB) nécessaire au maintien des GNRs en solution est remplacé par des biomolécules (oligonucléotides). Cependant, après une étude systématique et détaillée, la déstabilisation de la couche protectrice de surfactant sur la surface métallique et l’ajout d’oligonucléotides ayant une fonction thiol à une des deux extrémités dans un rapport approprié ont permis une bio-fonctionnalisation efficace des nanobâtonnets. En conséquence, les nanoparticules fonctionnalisées, après redispersion dans la solution, ont les propriétés physico-chimiques nécessaires. En outre, l’immobilisation des oligonucléotides sur la surface des nanoparticules est spécifique (via la liaison thiol-Au) et permet leur transfert dans des solutions tamponnées ou dans des milieux complexes sans affecter leur stabilité. Après hybridation entre le simple brin immobilisé sur la surface des nanobâtonnets et le brin complémentaire, j’ai démontré que les oligonucléotides étaient stables et que le nombre de doubles brins qui se forment par hybridation peut être contrôlé. L’analyse des propriétés des nanomatériaux a constitué la seconde étape clé de mon travail, car elle revêt une importance cruciale pour la délivrance contrôlée de médicaments. J'ai décidé d'appliquer des méthodes uniquement optiques couvrant l'absorption des nanobâtonnets et l'analyse de la fluorescence des oligonucléotides marqués et des images TEM.Au cours du projet, il a donc été possible d’établir une nouvelle approche de fonctionnalisation et de créer un protocole de caractérisation efficace, axé sur les oligonucléotides.Gene therapy is probably one of the most ambitious approaches in human history that aims to eliminate diseases, often those completely resistant to other treatments. However, this approach requires further development in order to obtain better control over the process of drug delivery and reduce costs. For this purpose, this project has focused on delivery of oligonucleotides using gold nanorods (GNRs). Such nanoparticles, (40 mm in length and 10 nm in diameter) can be internalized by cells and their extraordinary physical properties allow the delivery of drugs to the cytoplasm of cells in a controlled manner. Indeed, their strong absorption in the near-infrared part of the electromagnetic spectrum allows conversion of the energy of light into heat around the nanorods without affecting the cells. The advantage of absorption in the infrared is that at this wavelength the light can penetrate human tissues (3 cm). Control of the temperature around the nanoparticles allows the release of oligonucleotides by simple denaturation of the duplex at a given time.Obtaining nanoparticles that can be considered as a "cargo ship" implies fulfilling the following conditions: stability of the colloidal form in a complex medium, preservation of the physical and chemical properties once administered and the ability to immobilize and release the drug in a controlled manner.The first step of my project was to establish a nanorods synthesis protocol in order to obtain a monodisperse colloidal solution whose longitudinal absorption band is in the near infrared. The next step was to optimize the functionalisation protocol of the surface of the GNRs. The challenge here is associated with the aggregation of GNRs when the surfactant (CTAB) needed to maintain the GNRs in solution is replaced by biomolecules (oligonucleotides). However, after a systematic and detailed study, the destabilisation of the surfactant protective layer on the metal surface and the addition of oligonucleotides having a thiol function at one of the two extremities in a suitable ratio allowed an efficient bio-functionalisation of the nanoparticles. As a consequence, the functionalised nanoparticles, after redispersion in solution, possess the necessary physicochemical properties. In addition, the immobilisation of oligonucleotides on the surface of the nanoparticles is specific (via the thiol-Au bond) and allows their transfer into buffered solutions or in complex media without affecting their stability. After hybridisation between the single strand immobilized on the surface of the nanorods and the complementary strand, I demonstrated that the oligonucleotides were stable and that the number of double strands that are formed by hybridization can be controlled. The analysis of the properties of nanomaterials was the next important part of the work, as it is of crucial importance for the controlled delivery of drugs. I decided to apply only optical methods covering nanorods absorption and fluorescence analysis of labeled oligonucleotides and TEM images.In summary, during the project it was possible to establish a new functionalization approach and create a protocol for efficient characterization, focused on oligonucleotides. We expect that these observations will aid further research in the field of gene delivery based on gold nanoparticles