Chelating polymers for targeted decorporation of actinides : application to the bones and lungs

Une exposition massive des populations aux actinides et au plutonium en particulier pourrait intervenir suite à l'inhalation, ou à l'entrée dans l'organisme, de petites particules dispersées par le vent après un accident (explosion dans l'industrie nucléaire, acte de guerre…). La rétention et le devenir des particules inhalées dépendent de leur taille et de leur forme physico-chimique. En règle générale, plus elles sont petites et moins solubles, plus elles sont dangereuses, car elles vont atteindre les alvéoles pulmonaires et seront principalement retenues pendant de longues périodes (décennies) dans les macrophages alvéolaires qui vont constituer de véritables sanctuaires vis-à-vis de ces radioéléments. Quant à la fraction soluble, capable de passer dans la circulation, ou en cas de blessures, le Pu(IV) (degré d'oxydation en milieu biologique) sera rapidement transféré et stocké dans le foie et les os où la dose délivrée pendant de longues périodes contribuera à divers effets délétères (cancers notamment). A l'heure actuelle, le seul traitement approuvé par la pharmacopée (en France notamment) et la FDA (Food and Drug Administration, aux Etats Unis) pour traiter une contamination interne par des actinides est l'administration, par voie intraveineuse (i.v), de sels de Diéthylène Triamine Pentaacétate (DTPA). L'efficacité de ce traitement reste surtout limitée aux formes solubles circulantes du Pu. De plus, la courte biodisponibilité du DTPA empêche cette thérapie par chélation d'exercer un effet réel sur les principaux compartiments de séquestration biologique (poumons, os, foie). Pour surmonter cette limitation et fournir une approche complémentaire à la thérapie de décorporation par le DTPA, nous développons des analogues polymériques du DTPA, basés sur un polyéthylèneimine (PEI) commercial, pour cibler indirectement ces sites de rétention. Ce travail de thèse fait suite à une thèse dans laquelle nous avons démontré que le PEI-MC (analogue polymérique structurel du DTPA) et le PEI-MP (analogue phosphonate) étaient capables, in vitro, de complexer le Th(IV), le Pu(IV) et l'U(VI) avec des efficacités comparables à celle du DTPA. Cette thèse constitue une première étude concernant les capacités de décontamination du PEI-MC et du PEI-MP vis-à-vis du Th(IV), utilisé comme analogue du Pu(IV), et incorporé sous forme soluble dans une matrice d'hydroxyapatite ou sous forme colloïdale (nanoparticules de Th) dans des macrophages afin de mimer au mieux des contaminations osseuses ou pulmonaires. La forte affinité du PEI-MP pour un des constituants majoritaires de la matrice osseuse, l'hydroxyapatite (HAp), son absence de cytotoxicité sur les cellules constitutives de l'os (ostéocytes et ostéoblastes), ainsi que des études thermodynamiques et cinétiques sur la décontamination de HAp, permettent d'envisager le développement du PEI-MP comme un candidat sérieux pour la décontamination du Pu(IV) séquestré au sein du tissus osseux. D'autre part, en combinant deux techniques (MET et ICP-MS) nous avons réalisé un suivi in cellulo des étapes de la phagocytose liées à la contamination de macrophages par des nanoparticules de thorium. Nous avons ensuite évalué l'efficacité de chélation de nos molécules vis-à-vis de ces formes insolubles à l'aide d'expériences in vitro (mise en contact avec les nanoparticules) et in cellulo (sur des macrophages contaminés). Ces résultats préliminaires mettent en évidence des paramètres importants liés à la contamination des macrophages par les actinides tels que la vitesse d'internalisation des nanoparticules de Th et l'effet des chélates en fonction de la dose et du temps. Globalement, cette thèse, a permis de mettre en place une méthodologie rigoureuse qui permet maintenant de tester ces polymères chélatants en conditions physiologiques sur leur(s) cible(s) biologique(s) réelle(s) : Os, poumons voire foie qui agissent tous les trois comme des sites de rétention vis-à-vis des actinides en cas de contamination.Human exposure to actinides and plutonium in particular can occur through the inhalation, or entry into the body, of small particles dispersed by the wind after an accident (incident in the nuclear industry or act of war …). The retention and the fate of the inhaled particles depend on their size and physicochemical form. Generally, the smallest and less soluble particles are the most dangerous, because they are capable of reaching the lung alveoli and will be mainly retained for long periods (decades) by the alveolar macrophages, which will act as sanctuaries for these radioelements. For the soluble fraction, capable of reaching the circulation, or in case of wounding, Pu(IV) (biological oxidation state) will be transferred very fast and stored in the liver and bones where the dose delivered over very long periods will contribute to various deleterious effects (cancers in particular).Currently the only treatment approved by the pharmacopoeia (in France especially) and the FDA (Food and Drug Administration, in the United States) to treat internal contamination by actinides is the intravenous (i.v.) administration of Diethylene Triamine Pentaacetate (DTPA) salts. However, the effectiveness of DTPA is mainly confined to circulating actinides (soluble forms). Furthermore, the short biodisponibility of DTPA prevents this chelation therapy from having a real effect on the main biological sequestration compartments (lungs, bones, liver).To overcome this limitation and to provide a complementary approach to the (DTPA) decorporation therapy, our group has ben developing polymeric analogues of DTPA, based on a commercial polyethyleneimine (PEI), to indirectly target these retention sites. In a previous project we have demonstrated that PEI-MC (a structural polymeric analog of DTPA) and PEI-MP (phosphonate analog) are able, in vitro, of complexing Th(IV), Pu(IV) and U(VI) with efficiencies comparable to that of DTPA. This project is a first study of the decontamination capacities of PEI-MC and PEI-MP towards Th(IV), used as an a surrogate of Pu(IV), and incorporated in soluble form in a hydroxyapatite matrix or in colloidal form in macrophages in order to mimic as well as possible bone or pulmonary contaminations.The high affinity of PEI-MP for one of the major constituents of the bone matrix, hydroxyapatite (HAp), its absence of cytotoxicity toward bone constitutive cells (osteocytes and osteoblasts), as well as thermodynamic and kinetic studies on the decontamination of HAp, make it possible to consider the development of PEI-MP as a serious candidate for the decontamination of Pu(IV) sequestered within the bone tissue. On the other hand, by combining two techniques (TEM and ICP-MS), we carried out an in cellulo follow-up of the phagocytosis steps related to the contamination of macrophages by thorium nanoparticles. We then evaluated the chelation efficiency of our molecules towards these insoluble forms using in vitro (contact with nanoparticles) and in cellulo (on contaminated macrophages) experiments. These preliminary results highlight important parameters related to the contamination of macrophages by actinides such as the internalization rate of Th nanoparticles and the effect of chelates as a function of dose and time.Overall, this thesis has allowed to set up a rigorous methodology which allows now to test these chelating polymers under physiological conditions on their real biological target(s): bones, lungs and even liver which all three act as retention sites for actinides in case of contamination