Glyco-nanostructures formulées via autoassemblage induit par photo-polymérisation RAFT en dispersion aqueuse

Thèse confidentielle jusqu'au 31 décembre 2023. Puis, l'auteur a souhaité limiter l'accès aux membres de l'Enseignement supérieur français.Soft nanostructures obtained by the self-assembly of amphiphilic copolymers (ACP) are of great relevance for nanomedecine, where they can be used as Drug Delivery Systems (DDSs). Among these DDSs, those with vesicular morphology (polymersomes) are under intense scrutiny, thanks to their interesting multi-compartmental morphology allowing the simultaneous encapsulation of both hydrophilic and hydrophobic drugs. Amphiphilic glycopolymers (AGPs), amphiphilic copolymers associating hydrophilic polysaccharides and hydrophobic polymers, are potential candidates for the formulation of DDSs due to the biodegradability, non-toxicity and tunable biocompatibility of polysaccharides. However, spherical micelles and core/shell nanoparticles have been frequently reported in case of the self-assembly of AGPs, which could be a limitation to their development. Herein, an emerging one-pot methodology named Polymerization-Induced Self-Assembly (PISA) in aqueous dispersion, enables producing self-assembled polymeric nanostructures directly in aqueous media, was used to fill the lack of AGPs in terms of self-assembly. More precisely, in the framework of this Ph.D., a water-soluble monomer (2-hydroxypropyl methacrylate, HPMA), forming a hydrophobic polymer, is polymerized from a water-soluble dextran derivative containing multiple chain transfer agent groups (DexCTA). Photo-mediated reversible addition-fragmentation chain transfer (photo-RAFT) was used to grow hydrophobic grafts of PHPMA from DexCTA to produce dextran-gN-PHPMAx, where N and X are respectively the number and the degree of polymerization of PHPMA grafts. As the PHPMA grafts increase, the glycopolymers become amphiphilic inducing its self-assembly to form glyco-nanostructures (GNSs). A deep physico-chemical investigation on such GNSs was carried out using advanced techniques, including radiation scattering (scattering of light, neutrons and small angle X-rays) and imaging techniques such as (cryo-) transmission electron microscopy (cryo-) TEM. This investigation revealed the ability of dextran-gN-PHPMAX to form nano-objects of advanced morphology (including vesicular one) in water via PISA process. These first observations encouraged us to study the impact of the macromolecular parameters of these AGPs (number and size of grafts) and the experimental conditions (weight concentration and temperature) on the generated self-assembly morphology. In-situ monitoring of the morphology evolution during the PISA revealed the formulation of an original morphology (multi-hydrophilic core vesicles) never reported in case of AGPs. The use of dextran-gN-PHPMAX-based vesicles as DSSs was evaluated by examining: i) the cytotoxicity of such AGPs toward various cell models, ii) their stability in various hypotonic and hypertonic environments miming biologic media, iii) and their ability to encapsulate hydrophilic and hydrophobic drugs.Les nano-objets polymères obtenus par auto-assemblage de copolymères amphiphiles intéressent les chercheurs en nanomédecine, qui envisagent de les employer comme systèmes de délivrance de médicaments (SDMs). Les objets de morphologie vésiculaire, nommée polymersomes, sont particulièrement attractifs car leur morphologie compartimentale permet d’encapsuler simultanément des principes actifs hydrophiles et hydrophobes. Les glycopolymères amphiphiles (GPAs), copolymères amphiphiles associant un polysaccharide hydrophile et une partie polymère hydrophobe, sont des candidats potentiels pour produire ces SDMs, étant donné la biocompatibilité, la biodégradabilité et la non-toxicité des polysaccharides. Cependant, les travaux de recherches portant sur l'auto-assemblage des GPAs via des stratégies multi-étapes décrivent principalement des nanostructures aux morphologies primitives (micelles sphériques ou nanoparticules cœur/couronne), freinant le développement de ces potentiels SDMs. Afin de contourner cette problématique, une méthodologie émergente nommée PISA (auto-assemblage induit par polymérisation) a été employée dans le cadre de ce doctorat pour produire en une seule étape une suspension de glyco-nanostructures (GNSs, nano-objets composés de GPAs auto-assemblés). Le procédé est ici basé sur la polymérisation d’un monomère hydrophile (2-méthacrylate d’hydroxypropyle, HPMA), formant un polymère hydrophobe à partir d’une conversion critique, à partir d’un stabilisant hydrosoluble dérivé du dextrane et porteur de multiples groupements agent de transfert (DexCTA). La polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation amorcée sous irradiation visible (photo-RAFT) a été employée pour faire croitre les greffons hydrophobes PHPMA à partir du DexCTA, et conduire à la synthèse de dextrane-gN-PHPMAX, où N et X sont respectivement le nombre et le degré de polymérisation des greffons PHPMA. Au fur et à mesure de l’accroissement des greffons PHPMA, les glycopolymères deviennent amphiphiles et s’auto-organisent in-situ pour former des GNSs. Une étude physico-chimique approfondie des GNSs formulées a été réalisée en utilisant des techniques avancées telles que la diffusion de rayonnement (diffusion de la lumière, des neutrons et des rayons X aux petits angles) et la (cryo-)microscopie électronique à transmission. Cette étude a révélé la capacité des dextrane-gN-PHPMAX à former des nano-objets de morphologie avancée (particulièrement vésiculaire) en phase aqueuse via la méthodologie PISA. Ces premières observations nous ont alors encouragés à étudier l’impact des paramètres macromoléculaires de ces copolymères (nombre et taille de greffons) et des conditions opératoires (concentration massique et température) sur la morphologie des GNSs produites. Un suivi in-situ de l’évolution de la morphologie a révélé la formation de nano-objets de morphologie originale (vésicules à multi-cœurs hydrophiles), jamais reportée dans le cas des GNSs. Le potentiel des vésicules de dextrane-gN-PHPMAX pour une utilisation comme SDMs a été évaluée en étudiant : i) la cytotoxicité de ces GPAs vis-à-vis de plusieurs cellules modèles, ii) leur stabilité dans des environnements hypotoniques et hypertoniques mimant les milieux biologiques, iii) et leur capacité à encapsuler des principes actifs hydrophobes et hydrophiles modèles

Formulation of glyco-nanostructures via photo-RAFT polymerization induced self-assembly in aqueous dispersion

Les nano-objets polymères obtenus par auto-assemblage de copolymères amphiphiles intéressent les chercheurs en nanomédecine, qui envisagent de les employer comme systèmes de délivrance de médicaments (SDMs). Les objets de morphologie vésiculaire, nommée polymersomes, sont particulièrement attractifs car leur morphologie compartimentale permet d’encapsuler simultanément des principes actifs hydrophiles et hydrophobes. Les glycopolymères amphiphiles (GPAs), copolymères amphiphiles associant un polysaccharide hydrophile et une partie polymère hydrophobe, sont des candidats potentiels pour produire ces SDMs, étant donné la biocompatibilité, la biodégradabilité et la non-toxicité des polysaccharides. Cependant, les travaux de recherches portant sur l'auto-assemblage des GPAs via des stratégies multi-étapes décrivent principalement des nanostructures aux morphologies primitives (micelles sphériques ou nanoparticules cœur/couronne), freinant le développement de ces potentiels SDMs. Afin de contourner cette problématique, une méthodologie émergente nommée PISA (auto-assemblage induit par polymérisation) a été employée dans le cadre de ce doctorat pour produire en une seule étape une suspension de glyco-nanostructures (GNSs, nano-objets composés de GPAs auto-assemblés). Le procédé est ici basé sur la polymérisation d’un monomère hydrophile (2-méthacrylate d’hydroxypropyle, HPMA), formant un polymère hydrophobe à partir d’une conversion critique, à partir d’un stabilisant hydrosoluble dérivé du dextrane et porteur de multiples groupements agent de transfert (DexCTA). La polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation amorcée sous irradiation visible (photo-RAFT) a été employée pour faire croitre les greffons hydrophobes PHPMA à partir du DexCTA, et conduire à la synthèse de dextrane-gN-PHPMAX, où N et X sont respectivement le nombre et le degré de polymérisation des greffons PHPMA. Au fur et à mesure de l’accroissement des greffons PHPMA, les glycopolymères deviennent amphiphiles et s’auto-organisent in-situ pour former des GNSs. Une étude physico-chimique approfondie des GNSs formulées a été réalisée en utilisant des techniques avancées telles que la diffusion de rayonnement (diffusion de la lumière, des neutrons et des rayons X aux petits angles) et la (cryo-)microscopie électronique à transmission. Cette étude a révélé la capacité des dextrane-gN-PHPMAX à former des nano-objets de morphologie avancée (particulièrement vésiculaire) en phase aqueuse via la méthodologie PISA. Ces premières observations nous ont alors encouragés à étudier l’impact des paramètres macromoléculaires de ces copolymères (nombre et taille de greffons) et des conditions opératoires (concentration massique et température) sur la morphologie des GNSs produites. Un suivi in-situ de l’évolution de la morphologie a révélé la formation de nano-objets de morphologie originale (vésicules à multi-cœurs hydrophiles), jamais reportée dans le cas des GNSs. Le potentiel des vésicules de dextrane-gN-PHPMAX pour une utilisation comme SDMs a été évaluée en étudiant : i) la cytotoxicité de ces GPAs vis-à-vis de plusieurs cellules modèles, ii) leur stabilité dans des environnements hypotoniques et hypertoniques mimant les milieux biologiques, iii) et leur capacité à encapsuler des principes actifs hydrophobes et hydrophiles modèles.Soft nanostructures obtained by the self-assembly of amphiphilic copolymers (ACP) are of great relevance for nanomedecine, where they can be used as Drug Delivery Systems (DDSs). Among these DDSs, those with vesicular morphology (polymersomes) are under intense scrutiny, thanks to their interesting multi-compartmental morphology allowing the simultaneous encapsulation of both hydrophilic and hydrophobic drugs. Amphiphilic glycopolymers (AGPs), amphiphilic copolymers associating hydrophilic polysaccharides and hydrophobic polymers, are potential candidates for the formulation of DDSs due to the biodegradability, non-toxicity and tunable biocompatibility of polysaccharides. However, spherical micelles and core/shell nanoparticles have been frequently reported in case of the self-assembly of AGPs, which could be a limitation to their development. Herein, an emerging one-pot methodology named Polymerization-Induced Self-Assembly (PISA) in aqueous dispersion, enables producing self-assembled polymeric nanostructures directly in aqueous media, was used to fill the lack of AGPs in terms of self-assembly. More precisely, in the framework of this Ph.D., a water-soluble monomer (2-hydroxypropyl methacrylate, HPMA), forming a hydrophobic polymer, is polymerized from a water-soluble dextran derivative containing multiple chain transfer agent groups (DexCTA). Photo-mediated reversible addition-fragmentation chain transfer (photo-RAFT) was used to grow hydrophobic grafts of PHPMA from DexCTA to produce dextran-gN-PHPMAx, where N and X are respectively the number and the degree of polymerization of PHPMA grafts. As the PHPMA grafts increase, the glycopolymers become amphiphilic inducing its self-assembly to form glyco-nanostructures (GNSs). A deep physico-chemical investigation on such GNSs was carried out using advanced techniques, including radiation scattering (scattering of light, neutrons and small angle X-rays) and imaging techniques such as (cryo-) transmission electron microscopy (cryo-) TEM. This investigation revealed the ability of dextran-gN-PHPMAX to form nano-objects of advanced morphology (including vesicular one) in water via PISA process. These first observations encouraged us to study the impact of the macromolecular parameters of these AGPs (number and size of grafts) and the experimental conditions (weight concentration and temperature) on the generated self-assembly morphology. In-situ monitoring of the morphology evolution during the PISA revealed the formulation of an original morphology (multi-hydrophilic core vesicles) never reported in case of AGPs. The use of dextran-gN-PHPMAX-based vesicles as DSSs was evaluated by examining: i) the cytotoxicity of such AGPs toward various cell models, ii) their stability in various hypotonic and hypertonic environments miming biologic media, iii) and their ability to encapsulate hydrophilic and hydrophobic drugs

Polymerization induced Self-Assembly toward a new breakthrough for formulation of nanocarriers based on polysaccharide derivatives

International audienc

Self-assembly of amphiphilic copolymers containing polysaccharide: PISA versus nanoprecipitation, and the temperature effect

International audienceFor many decades, the self-assembly of amphiphilic copolymers containing polysaccharide, called glycopolymers, has been induced in water via nanoprecipitation, whereas the polymerization-induced self-assembly (PISA) approach has been less reported. Using advanced characterization techniques including static/dynamic light scattering and negative-stain/cryo TEM analyses, we studied the impact of the experimental conditions/process on the morphology of formed glyco-nanostructures. A model amphiphilic glycopolymer (Dex-g12-PHPMA400) based on dextran as hydrophilic polysaccharide backbone and poly(2-hydroxypropyl methacrylate) (PHPMA) as hydrophobic grafts was prepared in water using photo-induced RAFT polymerization at 405 nm. On the one hand, our findings revealed that photo-initiated PISA (photo-PISA) at room temperature (RT) led to a mixture of spheres with a significant population of worm-like micelles (WLM), whereas the nanoprecipitation of purified Dex-g12-PHPMA400 led only to spherical micelles. On the other hand, we demonstrate that the morphology of glyco-nanostructures is affected by temperature since performing photo-PISA at 60 °C led to spheres instead of WLM. Finally, our findings revealed that pre-synthesized WLM at RT underwent irreversibly an unusual morphological transition to spheres by heating to 60 °

Multicompartment Vesicles: A Key Intermediate Structure in Polymerization-Induced Self-Assembly of Graft Copolymers

International audienceThe morphological evolution of graft copolymer-based nano-objects was monitored by light scattering and electron microscopy during their formulation in water by polymerization induced self-assembly using a photo-mediated reversible addition–fragmentation chain transfer mechanism. The copolymer models used were composed of a dextran backbone bearing poly(2-hydroxypropyl methacrylate) grafts of two degrees of polymerization (X). At a full monomer conversion, unilamellar vesicles (ULVs) and large compound nano-objects (LCNs) were formed when targeting X = 100 and 500, respectively. For X = 100, some spherical, worm-like, then jellyfish-like structures were progressively observed before the ULVs formation. For X = 500, electron cryotomography revealed an unprecedented intermediate morphology formed from the onset of self-assembly called a multicompartment vesicle (MCV) that fused to form LCN. The formation of MCV was attributed to a local phase separation between dextran and the residual 2-hydroxypropyl methacrylate inducing the appearance of multiple hydrophilic core