Toxicité et potentiel thérapeutique des nanotubes de carbone oxydés fonctionnalisés avec doxorubicine et fluorescéine : résultats in vitro et in vivo

Contexte

Les nanotubes de carbone (CNT) possèdent une grande surface, une excellente absorption cellulaire et la capacité de traverser les membranes biologiques, les rendant attractifs comme vecteurs pour l'administration de médicaments, la thérapie génique et les applications d'imagerie. La fonctionnalisation avec des groupes hydrophiles améliore la solubilité et la biocompatibilité, tandis que l'attachement covalent de molécules thérapeutiques peut fournir une libération ciblée et contrôlée. La doxorubicine (Dox) est un chimiothérapeutique largement utilisé avec une toxicité systémique significative ; la lier aux CNT peut réduire les effets hors cible et améliorer la spécificité tumorale. Les travaux précédents ont montré que les CNT peuvent être administrés en toute sécurité à faibles doses, mais des concentrations plus élevées ou une chimie de surface inadéquate peuvent provoquer un stress oxydatif, une inflammation et une accumulation organique. Cette étude s'appuie sur ces résultats pour évaluer le profil de sécurité de CNT-Dox et CNT-FITC in vitro et in vivo.

Méthodes

Les cellules d'adénocarcinome du côlon HT29 étaient cultivées en monocouches 2D et sphéroïdes 3D. Les CNT étaient synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur, oxydés avec HNO₃ 70 %, et fonctionnalisés avec la doxorubicine ou la fluorescéine via la chimie carbodiimide. Les suspensions étaient soniquées, stérilisées, et caractérisées par MEB, potentiel zêta et FTIR. La cytotoxicité était évaluée en utilisant les essais MTT et de surface de colonie. Pour la libération contrôlée, de la trypsine (0,05-70 %) était ajoutée pour évaluer la libération de doxorubicine. In vivo, des souris Balb/c recevaient des injections intrapéritonéales de CNTox (1,5 mg kg⁻¹), CNT-Dox (1,5 mg kg⁻¹), ou Dox libre (20 mg kg⁻¹) tous les trois jours pendant quatre semaines. Les marqueurs biochimiques sériques (ALT, AST, ALP, protéine totale, albumine) et les paramètres hématologiques (GR, GB, plaquettes, hémoglobine) étaient mesurés après la période de traitement.

Résultats et discussion

Caractérisation des nanoparticules

Les images MEB confirmaient des CNT multi-parois avec diamètres 10-60 nm et longueurs 20-500 µm. La fonctionnalisation n'altérait pas la morphologie. Les mesures de potentiel zêta montraient CNT-Dox (-28 mV), CNT-FITC (-32 mV), et CNTox (-36 mV), indiquant une bonne stabilité colloïdale. Les spectres FTIR affichaient les bandes amide I et II caractéristiques, confirmant la liaison covalente de la doxorubicine et de la fluorescéine aux CNT.

Cytotoxicité in vitro

Les essais MTT révélaient une cytotoxicité dose-dépendante pour CNTox (IC₅₀ ≈ 100 µg mL⁻¹) et CNT-FITC (IC₅₀ ≈ 50 µg mL⁻¹). CNT-Dox présentait une cytotoxicité nettement plus faible en l'absence de protéase (IC₅₀ > 200 µg mL⁻¹), reflétant le séquestration de la doxorubicine. Quand 0,05 % de trypsine était ajouté, CNT-Dox libérait la doxorubicine libre, produisant une IC₅₀ d'environ 5 µg mL⁻¹ et une diminution synergique de la viabilité cellulaire (≤ 10 % du témoin). Les essais de surface de colonie confirmaient que CNT-FITC inhibait nettement la formation de colonies, alors que CNT-Dox avait un effet minimal sauf si la trypsine était présente. En cultures de sphéroïdes 3D, CNTox augmentait le volume des sphéroïdes dose-dépendamment, tandis que CNT-FITC réduisait la taille des sphéroïdes ; CNT-Dox ne montrait aucun effet significatif sauf si la libération médiée par protéase se produisait.

Toxicité in vivo

Les analyses sériques montraient que CNTox seul n'altérait pas les niveaux d'ALT, AST ou ALP. CNT-Dox et Dox libre augmentaient tous deux l'AST (jusqu'à 126 %) et l'ALP (jusqu'à 148 %) par rapport au témoin, mais les élévations étaient moins prononcées pour CNT-Dox. La protéine totale augmentait légèrement dans tous les groupes de traitement. L'hématologie révélait que Dox libre causait anémie, thrombopénie et neutropénie, alors que CNT-Dox produisait des changements comparables mais plus doux. CNTox avait un impact négligeable sur les numérations globulaires. Ces résultats suggèrent que CNT-Dox atténue la toxicité systémique tout en préservant la puissance antitumorale.

Conclusion

La fonctionnalisation des CNT oxydés avec la doxorubicine via des liaisons peptidiques crée un nanovecteur à libération contrôlée sûr qui réduit la toxicité systémique comparé au médicament libre. In vitro, CNT-Dox reste inerte jusqu'au clivage protéolytique, après quoi il atteint une cytotoxicité puissante comparable à la doxorubicine libre. In vivo, CNT-Dox présente des élévations d'enzymes hépatiques et une toxicité hématologique plus faibles que Dox libre, tandis que CNTox seul est essentiellement non toxique. Ces résultats soutiennent le développement ultérieur de systèmes d'administration basés sur CNT pour des agents anticancéreux hautement puissants, particulièrement dans les malignités gastro-intestinales où l'activité protéase peut déclencher une libération ciblée.

Abréviations

Al:

Albumine

ALP:

Phosphatase alcaline

ALT:

Alanine aminotransférase

AST:

Aspartate aminotransférase

CNT-Dox:

Nanotubes de carbone fonctionnalisés avec doxorubicine

CNT-FITC:

Nanotubes de carbone fonctionnalisés avec fluorescéine

CNTox:

Nanotubes de carbone oxydés

CNTs:

Nanotubes de carbone

Dox:

Doxorubicine

FTIR:

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

MTS:

Sphéroïde tumoral multicellulaire

MWCNTs:

Nanotubes de carbone multi-parois

PTX:

Paclitaxel

Tp:

Protéine totale