Zinc oxide (ZnO) based quantum dots for bioimaging applications of lipid nanocarriers

Les systèmes théranostiques, consistant en un dispositif unique contenant des agents de diagnostic et des principes actifs, suscitent un interêt accru car ils peuvent améliorer le traitement de maladies telles que le cancer en réduisant les effets secondaires des médicaments et en permettant un suivi du traitement. L’objectif de ce travail était d’insérer des Quantum Dots (QDs) à base de ZnO dans des nanoparticules lipidiques pouvant délivrer un principe actif anti-cancéreux. Nous avons d’abord cherché à synthétiser des QDs présentant une structure coeur-coquille ZnO/ZnS pour améliorer leurs propriétés de luminescence. La spectroscopie d’absorption des rayons X, associée à des techniques usuelles de caractérisation, a permis de déterminer les conditions de synthèse conduisant à la formation d’une structure coeur-coquille. Néanmoins, l’émission dans le visible de ces QDs n’était pas satisfaisante. Des QDs dopés par des ions Mg ont donc été synthétisés. L’intensité de leur luminescence passe par un maximum pour une concentration molaire nominale d’ions Mg dans le milieu de réaction égale à 20%. Les QDs Zn0.8Mg0.2O présentent un rendement quantique (QY) six fois plus grand (QY ~64%) que celui des QDs de ZnO non dopés (QY ~ 10%). Les QDs dont la surface a été modifiée par de l’acide oléique (OA) forment une suspension colloidale stable dans le chloroforme et le toluène. Le rendement quantique des QDs OA-Zn0.8Mg0.2O était environ quatre fois plus élevé (Qy ~40%) que celui des QDs OA-ZnO. Les QDs Zn0.8Mg0.2O et OA-Zn0.8Mg0.2O ont été incorporés dans des nanoparticules lipidiques ayant un diamètre hydrodynamique moyen de l’ordre de 100- 220 nm. Les nanoparticules lipidiques solides (SLN) contenant des QDs sont restées stables dans différents milieux biologiques pendant trois heures à 37°C. Des mesures de fluorescence sur des suspensions de macrophages J774 ont montré une faible augmentation de l’intensité de l’émission visible pour les cellules incubées avec 2 mg/mL de SLNs luminescentes pendant 50 min, suggérant une internalisation partielle des nanoparticules par les macrophages. Malheureusement, ces résultats n’ont pas pu être confirmés par vidéo-microscopie et microscopie de fluorescence sur les cellules parce que les conditions expérimentales ( longueurs d’onde d’excitation et d’émission possibles) ne permettaient pas d’observer un signal supérieur à celui de l'auto-fluorescence des cellules.Theranostic systems consist of a single device containing therapeutic and diagnosis agents and receive increased attention because these devices can improve the therapy of diseases such as cancer, decreasing the toxic side effects and permitting to monitor the treatment. The aim of this work was to develop theranostic systems consisting of lipid based nanocarriers containing ZnO based quantum dots (QDs) as luminescent probes, and allowing to encapsulate a model drug for cancer therapy. Firstly, the synthesis of ZnO/ZnS QDs was studied, aiming to achieve improved luminescent properties. In this step, X-Rays Absorption Spectroscopy, together with other usual characterization techniques, could identify the synthesis condition in which core-shell structures were formed. Nevertheless, the emission of ZnO/ZnS QDs in the visible range was not promising. Therefore, Mg-doped ZnO QDs were synthesized; their luminescence went through a maximum for a 20 mol% nominal concentration of Mg2+ ions in the reaction medium. Zn0.8Mg0.2O QDs presented quantum yield (QY) six times higher (QY = 64%) than undoped ones (QY = 10%). ZnO and Zn0.8Mg0.2O QDs capped by oleic acid (OA) were synthesized and formed stable colloidal dispersions in chloroform and toluene. The QY of OA-Zn0.8Mg0.2O was about 4 times (around 40%) higher than that of the OA-ZnO QDs. Zn0.8Mg0.2O QDs and OA-Zn0.8Mg0.2O QDs could be incorporated into lipid based nanocarriers of average hydrodynamic diameter around 100 – 220 nm. The luminescent solid lipid nanoparticles (SLN) were stable in different media at 37°C during 3 hours. The fluorescence study showed slightly enhanced emission of the J774 macrophage-like cells treated with 2 mg/mL of luminescent SLN during 50 min, suggesting partial internalization of the nanoparticles into the macrophages. However, the internalization studies using fluorescence video-microscopy and microscopy were not successful, because the equipment (wavelengths of excitation and emission) did not allow overcoming the cell auto-fluorescence phenomena