Nanomedicine characterization for the clinics : development of methods evaluating the interactions nanoparticles-plasmatic proteins for a quality control purpose

Les nanomédecines injectées par voie intraveineuse interagissent avec les éléments biologiques qui les entourent dans le compartiment sanguin. Parmi ces interactions, celles avec les protéines sanguines se révèlent être très importantes dans le devenir de ces nanovecteurs, leur conférant une identité biologique influençant leur chemin jusqu’au tissu et aux cellules cibles. La compréhension et le contrôle de ces phénomènes reste un enjeu crucial dans le développement des nanomédecines. Des méthodes permettant une étude facilitée de ces interactions sont nécessaires à cet égard. Les travaux de cette thèse ont eu pour but de développer des méthodes, utilisables en routine, permettant une caractérisation fine des nanomédecines et de leurs interactions avec les protéines plasmatiques, applicables dans un contexte clinique. Ils s’inscrivent dans un projet intitulé « Nano Innovation for CancEr » (NICE, BPI France) regroupant un consortium de partenaires industriels en développement clinique de nanomédecines.Dans un premier temps, un travail bibliographique sur les méthodes actuellement mises en œuvre pour une telle caractérisation ont pu mettre en avant deux limitations majeures. (i) D’une part, la complexité des méthodes actuelles disponibles pour lesquelles la spécificité des équipements et l’expertise requise limitent une utilisation à large échelle. (ii) D’autre part, les propriétés aujourd’hui caractérisées en routine (taille, morphologie globale, charge) ne sont que grossières comparées à la finesse des processus biologiques qui interagissent et « analysent » les nanovecteurs une fois introduits dans le milieu biologique. Ces deux aspects limitent aujourd’hui un développement plus sûr des nanomédecines pour une bonne reproductibilité en clinique et garantir des essais de contrôle qualité fiables.Au cours de nos travaux, nous avons développé des méthodes permettant de répondre en partie à la problématique posée par la caractérisation des nanomédecines. Une méthode d’analyse à haut débit de l’activation du système du complément par immunoélectrophorèse en deux dimensions a été développée et validée. Elle permet l’analyse reproductible de l’activation de la protéine C3. Elle est applicable à l’étude de l’effet de la présence de nanoparticules dans le sérum humain et leur degré d’action sur la cascade du complément. Cette méthode a été utilisée pour mener une étude plus fondamentale du mécanisme de l’activation du système du complément en regard de l’architecture de la surface de nanoparticules.Une deuxième méthode d’étude de l’activation du complément produit par des nanomédecine a été proposée sur la base de la résonnance plasmonique de surface (SPR). Une puce permettant un screening automatisé de l’activation du complément a été développée. L’application de cette méthode comparée à d’autres méthodes d’études de l’activation du système du complément (Immunoélectrophorèse 2D, ELISA) a permis d’identifier des biais lors de leur application à l’évaluation des nanomédecines.Enfin, une approche originale de caractérisation de la surface de nanoparticules a été proposée utilisant des protéines pour sonder la capacité de la surface des nanoparticules à adsorber ou repousser ces dernières. Dans cette méthode, l’électrophorèse capillaire est utilisée comme outil analytique permettant une analyse directe de l’échantillon sans séparation préalable des nanomédecines.Les méthodes développées au cours de ces travaux peuvent être appliquées à la caractérisation de nanomédecines et proposées comme des méthodes de contrôle en routine de façon plus générale. Un développement de la caractérisation dans ce sens constitue l’un des leviers pour une translation plus fructueuse des nanomédecines entrant en phase clinique.Nanomedicines injected intravenously interact with surrounding biological elements in the bloodstream. Among these interactions, those with blood proteins turn out to be very important regarding the becoming of the nanovectors. They acquire a biological identity upon interaction with proteins which influence their path to target tissue and cells. The understanding and mastering of these phenomena remains a crucial issue in nanomedicine development. Methods allowing an easier study of these interactions are needed. The aim of these PhD thesis was to develop such methods, usable on a routine basis in a clinical context, allowing a fine characterization of nanomedicines and their interactions with plasmatic proteins. This PhD is part of the project “Nano Innovation for CancEr” (NICE, BPI France), gathering a consortium of industrials partners developing clinical nanomedicines.In a first time, a bibliographic study about current methods used for such a characterization could identify two major limitations. (i) On one hand, the complexity of current available methods for which the equipment specificity and required expertise prevent their use at a large scale. (ii) On the other hand, properties today characterized on a daily basis (size, morphology, charge) are too rough compared to the sharpness of biological processes who interact and “analyze” the nanovectors introduced in biological media. These two aspects are limiting a safer development of nanomedicines as well as a good reproducibility of their action in clinics.During this thesis, we developed methods allowing a beginning of answer to the wide problematic of nanomedicine characterization. A method for a high throughput analysis of complement activation by nanomedicines via 2D immunoelectrophoresis was developed and validated. It allows the reproducible analysis of protein C3 fragmentation. This method is applicable to the study of the impact of nanoparticles in human serum and their degree of action on the complement cascade. This method has been used for a more fundamental study on complement activation pathways activated according to the architecture of nanoparticles surface.A second method for the study of complement activation produced by nanoparticles has been proposed using surface plasmon resonance (SPR). A chip allowing an automated screening of complement activation has been developed. This method was compared to other methods for complement activation study (2D immunoelectrophoresis, ELISA) and allowed the identification of bias during nanomedicine evaluation.Finally, an original approach for the characterization of nanomedicine’s surface architecture using proteins as molecular probes has been proposed. In this method, capillary electrophoresis has been used as analytical tool to allow a direct analysis of sample without preliminary nanoparticle removal step.Methods developed during this work can be applied to the characterization of nanomedicines and proposed as routine methods for quality control. A development of nanomedicines characterization in this direction constitute one of the lever for a more fruitful translation of nanomedicines entering in clinical phase