Design and synthesis of multifunctional nanocarriers for biological applications

The synthesis of well defined multifunctional nanocarriers capable of simultaneously imaging, targeting and delivering therapeutics to specific cellular organelles continues to be a tedious task. The challenge is to develop simple and efficient synthetic methodologies which can allow the incorporation of multiple functional units in a single nanocarrier. Hyperbranched (dendrimers) and branched (miktoarm stars) macromolecules provide an excellent platform to construct such multifunctional nanocarriers. In this thesis, we report the development of versatile and efficient synthetic methodologies for the construction of multifunctional nanocarriers based on dendrimers and miktoarm polymers. The nanocarriers were synthesized using building blocks with orthogonal functional groups on which sequential reactions can be carried out with ease, and different functionalities can be covalently introduced. For example, we first developed a synthetic methodology to introduce two different functions in a single dendrimer scaffold. We designed and synthesized bifunctional nanocarrier in which a therapeutic agent, Niacin, in combination with the imaging dye BODIPY were attached, using highly efficient "click" reaction and Steglich esterification. These nanocarriers were evaluated for the delivery of Niacin to lipid droplets, and they were found almost exclusively within cytoplasmic lipid droplets. Biological studies suggested that these multifunctional nanocarriers did not cause significant cell death, and can be suitably used for imaging and for targeting drugs to lipid droplets. The synthetic methodology was then extended to synthesize a variety of bi-functional dendrimers with different combinations of drugs, dye and solubilizing agents. For example, bifunctional dendrimers containing covalently linked α-lipoic acid or the dye BODIPY, together with polyethylene glycol (PEG), were prepared. We subsequently further expanded the versatility of our synthetic approach and designed a tri-functional dendrimer, where we incorporated all the three functionalities, α-lipoic acid, BODIPY and the solubilizing polymer PEG, in a single nanoscaffold. These carriers were internalized into the cells where they were able to reduce H2O2 induced reactive oxygen species formation. We have also explored physical entrapment of drugs into miktoarm polymeric micelles. We have designed and constructed multifunctional nanocarriers based on ABC type miktoarm polymers (A = PEG, B = polycaprolactone (PCL), and C = triphenylphosphonium bromide (TPPBr)), to target mitochondria. The miktoarm stars were synthesized using a combination of "click" chemistry with ring-opening polymerization. These were then self-assembled into nanosized micelles, and were employed to load the drug CoQ10. The micelles showed high drug loading capacity, and the studies of the fluorescently labeled polymer analog showed that the carrier did indeed reach mitochondria. The versatility of the "click" chemistry used to prepare these new mitochondria-targeting nanocarriers offers a simple and easily reproducible procedure to develop a wide variety of multifunctional nanocarriers to deliver drugs to mitochondria, or other intracellular locations. As the future of the nanomedicine is progressing towards designing trackable therapeutics, we have developed a synthetic methodology to construct fluorescently labeled dendrimers for detecting these drug carriers at the cellular level. Tetraiodofluorescein, a model fluorescent marker, constitutes the inherent part of these nanocarriers. As proof of concept, one of the hydroxyl-terminated inherently fluorescent dendrimer was utilized to attach the model drug α-lipoic acid. The synthetic tools developed in this thesis provide a general platform to design multifunctional nanocarriers incorporating any desired combination of entities for Theranostics.La synthèse de nanotransporteurs capables de simultanément imager, cibler, de même que d'effectuer la livraison d'agents thérapeutiques à des organites cellulaires spécifiques continue d'être une tâche difficile. Le défi réside dans le développement de méthodologies synthétiques simples et efficaces pouvant permettre l'incorporation de multiples unités fonctionnelles en un simple nanotransporteur. Les macromolécules hyperbranchées (dendrimères) et branchées (étoiles « miktoarms ») procurent une excellente plateforme pour construire de tels nanotransporteurs. Dans cette thèse, nous rapportons le développement de méthodologies synthétiques versatiles et efficaces pour la construction de nanotransporteurs multifonctionnels à base de dendrimères et de polymères « miktoarms ». Par exemple, nous avons premièrement développé une méthodologie synthétique pour introduire deux différentes fonctions à un seul dendrimère. Nous avons fait le design et la synthèse de nanotransporteurs bifonctionnels pour lesquels l'agent thérapeutique Niacin et le colorant pour imagerie BODIPY ont été combinés en utilisant une réaction "click" simple et hautement efficace de même qu'une estérification de Steglich. Ces nanotransporteurs ont été évalués pour la livraison du Niacin aux goutelettes lipidiques. Les nanotransporteurs contenant Niacin et BODIPY ont été observés exclusivement à l'intérieur des gouttelettes lipidiques cytoplasmiques. Des études biologiques ont suggéré que ces nanotransporteurs multifonctionnels ne causent pas la mort significative des cellules, et peuvent être utilisés pour l'imagerie ou bien pour livrer des médicaments aux gouttelettes lipidiques. Cette méthodologie synthétique a été étendue pour préparer une variété de dendrimères fonctionnels avec différentes combinaisons de médicaments, colorants et agents de solubilisation. Par exemple, des dendrimères bifonctionnels contenant l'acide lipoïque ou bien le colorant BODIPY, avec du polyéthylène glycolique (PEG), ont été préparés. Nous avons subséquemment étendu davantage la versatilité de notre approche synthétique et avons fait le design d'un dendrimère trifonctionnel, où nous avons incorporé toutes les trois fonctionnalités, soient l'acide lipoïque, BODIPY, et le polymère solubilisant PEG, en une unique nanostructure. Nous avons exploré l'encapsulation physique de médicaments à l'intérieur de micelles polymériques « miktoarms ». Nous avons effectué le design et avons construit des nanotransporteurs basés sur des polymères « miktoarms » de type ABC (A = PEG, B = polycaprolactone (PCL), et C = bromure de triphenylphosphonium (TPPBr)), pour ensuite les livrer vers le mitochondrie. Ces étoiles ont alors été auto-assemblées en micelles, et ont été chargées du médicament CoQ10. Les micelles ont démontré une capacité élevée à encaspuler le médicament, et les études d'un polymère fluorescent analogue ont démontré que le transporteur est en effet capable d'atteindre sa cible, le mitochondrie. La versatilité de la chimie "click" utilisée pour préparer ces nouveaux nanotransporteurs capables de cibler le mitochondrie offre une procédure simple et facilement reproductible pour développer une vaste gamme de nanotransporteurs multifonctionnels pour livrer des médicaments au mitochondrie, ou bien à d'autres cibles intracellulaires. Comme le futur de la nanomédecine progresse vers le design d'agents thérapeutiques tractables, nous avons développé une méthodologie synthétique pour construire des dendrimères fluorescents afin de détecter ces livreurs de médicaments au niveau cellulaire. Le tétraiodofluorescéine, un marqueur fluorescent modèle, constitue la partie inhérente de la structure de ces nanotransporteurs. Les outils synthétiques développés dans cette thèse procurent une plateforme générale pour effectuer le design de nanotransporteurs pouvant comporter n'importe quelle combinaison d'entités à des fins théranostiques