Nanoparticules de FePO₄ : Vecteurs biocompatibles pour l'administration de doxorubicine, la stabilisation de l'ARN et l'activité anticancéreuse améliorée

Résumé

Les nanoparticules de FePO₄ combinent biocompatibilité, haute biodisponibilité, réactivité magnétique et propriétés sensorielles supérieures, les rendant idéales pour la fortification alimentaire, l'imagerie biomédicale et l'administration de médicaments. Dans cette étude, nous avons conçu le FePO₄ comme vecteur pour l'agent anticancéreux doxorubicine (DOX), atteignant un chargement optimal de 26,81 ± 1,0 %. Les particules FePO₄-DOX résultantes exhibaient une distribution de taille uniforme, une biocompatibilité concentration-dépendante (>70 % viabilité jusqu'à 80 µg/mL) et une augmentation dramique de 10 fois de la cytotoxicité comparé au DOX libre, avec une sélectivité accrue pour les cellules cancéreuses. De plus, les nanoparticules de FePO₄ stabilisaient l'ARN et préservaient l'activité de traduction de l'ARNm, soulignant leur potentiel comme plateformes d'administration multifonctionnelles pour les acides nucléiques thérapeutiques. Ces résultats mettent en lumière la polyvalence des particules de FePO₄ pour l'administration sûre de médicaments et d'ARN, et leur promesse dans les applications de fortification alimentaire.

Introduction

Parmi les nanomatériaux inorganiques, les nanoparticules à base de fer (Fe-NP) se distinguent par leurs propriétés magnétiques, leur métabolisme endogène et leurs applications approuvées par la FDA en imagerie de contraste, administration de médicaments et hyperthermie. Les nanoparticules de FePO₄, en particulier, exhibent une excellente biocompatibilité, une haute biodisponibilité orale et un impact organoleptique minimal, les rendant attractives pour la prévention de l'anémie ferriprive par fortification alimentaire. Leur absorption dans les cellules intestinales se fait principalement via le transporteur de métaux divalents-1 (DMT-1), assurant une absorption efficace. Au-delà de l'imagerie, le FePO₄ offre une voie de synthèse chimiquement simple et scalable qui donne des particules monodisperses avec une charge de surface contrôlée, permettant un chargement robuste de médicaments et une stabilisation d'acides nucléiques. Ce travail explore le FePO₄ comme véhicule d'administration pour le DOX et comme stabilisateur pour l'ARN, visant à démontrer une plateforme unique qui adresse à la fois les besoins thérapeutiques et nutritionnels.

Résultats et Discussion

Synthèse, Caractérisation et Biocompatibilité des Nanoparticules de FePO₄

Le FePO₄ était synthétisé via une co-précipitation simple de phosphate d'ammonium et de nitrate de fer(III), suivie de dispersion dans DSPE-PEG-COOH pour prévenir l'agrégation. La diffusion dynamique de la lumière révélait un diamètre hydrodynamique de 175 ± 5 nm avec un indice de polydispersité de 0,15 ± 0,01, indiquant une excellente homogénéité de taille. Les mesures de potentiel zêta montraient une charge de surface négative de −19,1 ± 8 mV, qui réduit l'opsonisation protéique et prolonge le temps de circulation. Les spectres IRTF confirmaient la présence de groupes PO₄³⁻ et l'absence de résidus de précurseurs, vérifiant la pureté du produit. Les tests MTT sur cellules d'ostéosarcome murin K7M2 et fibroblastes NIH/3T3 démontraient une viabilité concentration-dépendante, avec >70 % de survie cellulaire jusqu'à 80 µg/mL, confirmant la biocompatibilité des NP de FePO₄ dans une fenêtre thérapeutiquement pertinente.

Nanoparticules de FePO₄ : Vecteurs biocompatibles pour l administration de doxorubicine, la stabilisation de l ARN et l activité anticancéreuse améliorée

Chargement de Doxorubicine et Cytotoxicité Améliorée des FePO₄-DOX

Le DOX était incorporé via co-incubation avec Fe(NO₃)₃ suivie de précipitation avec (NH₄)₃PO₄, donnant un rendement de chargement de 26,81 ± 1,0 %. Le complexe Fe³⁺-DOX se forme durant cette étape, comme confirmé par un changement de couleur de jaune à brun et une émission de fluorescence inchangée (590 nm). La taille hydrodynamique restait 187 ± 7 nm, tandis que la charge de surface passait à −8,89 ± 5 mV, reflétant la nature cationique du DOX lié. Les essais de cytotoxicité révélaient une réduction de 10 fois des valeurs IC₅₀ comparé au DOX libre (NIH/3T3 : 0,248 µM vs 2,61 µM ; K7M2 : 0,107 µM vs 1,01 µM). Important, les nanoparticules FePO₄-DOX maintenaient >70 % viabilité aux concentrations équivalentes de FePO₄, indiquant que la cytotoxicité accrue provient de la complexation Fe³⁺-DOX plutôt que de la toxicité des nanoparticules. La destruction sélective des cellules cancéreuses sur les fibroblastes était aussi amplifiée, avec une différence de 19 % en viabilité à 0,1 µM équivalent DOX.

Internalisation Cellulaire des Nanoparticules FePO₄-DOX

La microscopie confocale de cellules K7M2 révélait une absorption négligeable à 0,5–1 h, suivie d'une fluorescence intracellulaire prononcée à 3 h, comparable au DOX libre. Le profil d'internalisation temps-dépendant démontre que les nanoparticules FePO₄-DOX peuvent efficacement administrer le DOX dans les cellules cancéreuses dans un délai cliniquement pertinent, tandis que les propriétés magnétiques du FePO₄ permettent des applications théranostiques potentielles.

Stabilisation de l'ARN et Expression Fonctionnelle

Les nanoparticules de FePO₄ protègent l'ARN modèle de l'hydrolyse et des nucléases, comme en témoignent des bandes intactes sur électrophorèse sur gel d'agarose d'ARN (EGAR) après incubation dans l'eau et le sérum. En contraste, les nanoparticules de cuivre et de nanotubes de carbone accéléraient la dégradation. Les essais fonctionnels utilisant de l'ARNm encodant la luciférase démontraient que le FePO₄ préservait l'efficacité de traduction, délivrant une augmentation de deux fois de la luminescence relative au contrôle, tandis que les nanoparticules de cuivre réduisaient l'expression. Ces résultats soulignent le FePO₄ comme stabilisateur d'ARN robuste qui maintient l'activité biologique, le positionnant comme candidat pour les thérapeutiques et vaccins à base d'ARNm.

Conclusion

Les nanoparticules de FePO₄, synthétisées via une stratégie simple de co-précipitation et PEGylation, forment des particules monodisperses (~175 nm) avec une charge de surface négative stable. Elles exhibent une haute biocompatibilité (>70 % viabilité jusqu'à 80 µg/mL) et un chargement efficace de DOX (26,8 %). Les nanoparticules FePO₄-DOX délivrent une cytotoxicité améliorée (réduction 10 fois de l'IC₅₀) et une sélectivité accrue pour les cellules cancéreuses. Les particules stabilisent aussi l'ARN contre l'hydrolyse et préservent l'activité de traduction de l'ARNm, validant leur double rôle comme vecteurs de médicaments et d'acides nucléiques. Ces attributs font des nanoparticules de FePO₄ une plateforme convaincante pour l'administration thérapeutique et pour la fortification d'aliments avec du fer et des composés bioactifs.

Méthodes

Synthèse et Caractérisation des Nanoparticules de FePO₄

Les nanoparticules de FePO₄ étaient produites en mélangeant des solutions équimolaires de phosphate d'ammonium (16 mg/mL) et de nitrate de fer(III) (8 mg/mL) sous agitation constante, suivies de centrifugation et lavage pour éliminer les précurseurs résiduels. Le précipité résultant était dispersé dans DSPE-PEG-COOH (10 % p/p) pour générer des nanoparticules stables. La taille et le potentiel zêta étaient mesurés par DDL ; l'identité chimique était confirmée par IRTF.

Chargement de Doxorubicine

Le DOX (100 µg) était ajouté aux solutions de Fe(NO₃)₃ ou (NH₄)₃PO₄ avant précipitation pour atteindre la complexation avec Fe³⁺. Les particules FePO₄-DOX résultantes étaient lavées trois fois et quantifiées par spectroscopie de fluorescence (excitation 490 nm, émission 595 nm). L'efficacité de chargement était calculée comme ((DOX dans NP – DOX dans surnageant)/DOX initial) × 100.

Essais de Biocompatibilité et Cytotoxicité

Les cellules d'ostéosarcome murin K7M2 et fibroblastes NIH/3T3 étaient ensemencées à 10 000 cellules/puits en plaques 96 puits, traitées avec FePO₄ ou FePO₄-DOX (20–600 µg/mL) pendant 48 h, et la viabilité évaluée par MTT (550 nm). Les lignées cellulaires étaient aussi exposées au DOX libre (0,05–5 µM) pour cytotoxicité comparative.

Internalisation Cellulaire

Pour l'imagerie confocale, les cellules K7M2 (12 000 cellules/puits) étaient traitées avec 5 µg/mL DOX ou FePO₄-DOX pendant 0,5, 1 et 3 h, fixées, colorées au DAPI, et imager sur un Zeiss LSM-700. La fluorescence du DOX (560 nm) était utilisée pour suivre l'absorption intracellulaire.

Stabilité et Expression de l'ARN

L'ARN de levure Torula (1 mg/mL) était incubé avec 20 µg/mL de nanoparticules Cu, FePO₄, Ag, CNT ou ZnO à 37 °C et surveillé dans le temps par EGAR. Pour la stabilité dans le sérum, l'ARN était incubé dans 10 % SFB/DMEM. L'ARNm encodant la luciférase était traduit dans le lysat de réticulocytes de lapin avec ou sans 20 µg/mL FePO₄ ou nanoparticules Cu, et la luminescence mesurée avec un lecteur Biotek Synergy H1.

Analyse Statistique

Les données représentent au moins trois expériences indépendantes, exprimées en moyenne ± é.t. Les données de viabilité étaient dérivées de six répliques techniques.