Nanoparticules Cœur-Coquille de Polydopamine avec Coquilles Polymères Réactives au Redox pour l'Administration Ciblée de Médicaments et la Chimiothérapie-Photothermie Synergique

Résumé

La thérapie photothermique (PTT) proche infrarouge (NIR) offre une haute sélectivité tumorale et des effets secondaires minimes, pourtant son impact clinique est limité par une délivrance de chaleur insuffisante. Nous rapportons ici une nanoparticule cœur-coquille combinant un cœur de polydopamine (PDA) avec une coquille de poly(acide méthacrylique) (PMAA) réticulée par disulfure. Le cœur PDA délivre une conversion photothermique NIR efficace, tandis que la coquille PMAA réactive au redox encapsule la doxorubicine (DOX) et la libère sélectivement dans le microenvironnement réducteur et acide des cellules cancéreuses. In vitro, les nanoparticules PDA@PMAA chargées en DOX montrent une inhibition synergique des cellules A549 lorsqu'elles sont combinées avec une irradiation laser à faible dose, atteignant >85% de destruction cellulaire à une dose totale de médicament de 5 µg mL⁻¹. Cette plateforme démontre une libération de médicament précise, déclenchée et une efficacité chimiophotothermique améliorée.

Introduction

La PTT utilise des agents absorbant le NIR pour convertir la lumière en chaleur ; des températures d'ablation (>55 °C) sont requises pour la nécrose tumorale tout en épargnant le tissu normal. La polydopamine (PDA) est un polymère inspiré des moules qui absorbe fortement dans le NIR, exhibe 40% d'efficacité de conversion photothermique, et est biocompatible et biodégradable. Cependant, la PTT à mode unique ne peut atteindre une température suffisante dans le cœur tumoral sans endommager le tissu environnant. La combinaison de l'hyperthermie avec la chimiothérapie a émergé comme une stratégie puissante : la chaleur améliore l'absorption du médicament et augmente la cytotoxicité du médicament, tandis que la chimiothérapie tue les cellules survivant au chauffage. Pour réaliser cette synergie, nous avons conçu un système cœur-coquille intelligent où le cœur PDA fournit la conversion photothermique et la coquille PMAA réticulée par disulfure agit comme un réservoir de médicament qui se dégrade dans l'environnement réducteur de la tumeur (concentrations de glutathion 2–10 mM vs. 20–40 µM dans le plasma) et à pH légèrement acide.

Matériaux et Méthodes

Matériaux

Tous les réactifs étaient de grade analytique. Le chlorhydrate de dopamine, le chlorure de méthacryloyle, le glutathion, l'acide méthacrylique (MAA), le N,N'-bis(acryloyl)cystamine (BAC), l'azobisisobutyronitrile (AIBN) et la doxorubicine (DOX·HCl) étaient achetés auprès de fournisseurs standards. Les réactifs de culture cellulaire étaient obtenus d'Invitrogen et Sigma-Aldrich.

Caractérisation

La microscopie électronique à transmission (MET) (Tecnai G2 20 TWIN) visualisait la morphologie. La diffusion dynamique de la lumière (DDL, Malvern Nano-ZS90) mesurait la taille hydrodynamique et le potentiel ζ. Les spectres UV-vis étaient enregistrés sur un Perkin-Elmer Lambda 750. Les spectres infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) (Nicolet 6700) confirmaient la réticulation. La performance photothermique était évaluée en irradiant des dispersions aqueuses (100 µg mL⁻¹) avec un laser 808 nm (5 W cm⁻²) pendant 300 s et en enregistrant les changements de température avec un thermocouple (±0.1 °C). L'absorption et la localisation cellulaires étaient imagées par microscopie confocale à balayage laser (CLSM, Leica TCS SP8 STED 3X).

Synthèse des Nanoparticules PDA@PMAA

Les sphères PDA étaient formées par oxydation de 0.5 g dopamine dans 90 mL H₂O/40 mL EtOH/3 mL NH₃•H₂O à 30 °C pendant 24 h. La coquille PMAA était cultivée via polymérisation par distillation-précipitation : 100 mg MAA, 10 mg BAC, 3 mg AIBN dissous dans 25 mL acétonitrile, suivi de l'ajout de 50 mg sphères PDA. Le mélange était chauffé à 100 °C, agité pendant 2 h, puis centrifugé et lavé. En variant le rapport massique PDA/MAA (0.5–6), nous avons ajusté l'épaisseur de la coquille (120–200 nm).

Chargement et Libération du Médicament

La DOX (1 mg mL⁻¹, pH 8.0) était mélangée avec 10 mg de PDA@PMAA-1 pendant 24 h, puis centrifugée et lavée. Le contenu de chargement (LC) et l'efficacité d'encapsulation (EE) étaient calculés à partir de l'absorbance UV-vis à 480 nm. La libération in vitro était surveillée dans des tampons phosphate (pH 7.4, 5.5) avec/sans 10 mM GSH à 37 °C, échantillonnage toutes les 2 h. Un sac de dialyse (14 kDa COUP) retenait les nanoparticules ; le milieu de libération était rafraîchi à chaque échantillonnage. Le pourcentage de libération était calculé comme médicament libéré cumulatif divisé par le total du médicament chargé.

Études Cellulaires

Les cellules rénales embryonnaires humaines (HEK-293T) et d'adénocarcinome pulmonaire (A549) étaient cultivées en DMEM + 10% FBS. L'absorption cellulaire de DOX-chargé PDA@PMAA était observée après 1 h et 4 h d'incubation. La cytotoxicité était évaluée par essai MTT : les cellules étaient traitées avec DOX libre, PDA@PMAA vide, ou DOX-chargé PDA@PMAA (10–100 µg mL⁻¹) pendant 24 h, avec ou sans irradiation laser 808 nm (5 W cm⁻², 300 s). La viabilité cellulaire était exprimée relative aux témoins non traités. La coloration vivante/morte (Calcein-AM) et CLSM confirmaient le résultat thérapeutique.

Résultats et Discussion

Morphologie et Propriétés Physicochimiques des Nanoparticules

Les images MET révèlent des cœurs PDA sphériques monodisperses (~100 nm) et des particules PDA@PMAA (120–200 nm) avec coquilles uniformes. La DDL montre des diamètres hydrodynamiques de 176–349 nm, indiquant une couche polymère gonflée dans les milieux aqueux. Les potentiels ζ passent de –26.8 mV (PDA) à –30.2 à +33.2 mV (PDA@PMAA) alors que l'épaisseur de la coquille augmente, reflétant l'exposition des carboxylates. Le FT-IR confirme la présence de bandes amide I/II (1650/1550 cm⁻¹) du BAC et un étirement C=O à 1706 cm⁻¹ du PMAA, confirmant la réticulation réussie.

Performance Photothermique

Les spectres UV-vis montrent une absorption NIR large pour tous les échantillons ; le PDA exhibe l'absorbance la plus haute à 808 nm. Les expériences de chauffage photothermique démontrent que 100 µg mL⁻¹ de dispersion PDA élève la température de 41 °C, tandis que PDA@PMAA-1 atteint 56 °C, surpassant le seuil de 55 °C pour l'ablation tumorale. L'augmentation de température corrèle inversement avec l'épaisseur de la coquille, confirmant qu'une coquille mince préserve l'efficacité photothermique tout en permettant le chargement de médicament.

Libération Contrôlée du Médicament

Le chargement de DOX donne LC = 5.1% et EE = 53.7% pour PDA@PMAA-1, plus élevé que le PDA seul (LC = 3.7%). Dans le tampon physiologique (pH 7.4), la libération est négligeable (<11% sur 24 h). En 10 mM GSH, 72.8% de DOX est libérée dans les 24 h due à la clivage des liaisons disulfure. Les conditions acides (pH 5.5) avec GSH déclenchent une libération en rafale (≈87% en 24 h) car les carboxylates protonés effondrent le réseau polymère. L'irradiation photothermique (5 W cm⁻², 300 s) n'altère pas le profil de libération, indiquant l'intégrité structurelle pendant le chauffage.

Efficacité Antitumorale In Vitro

Les images confocales montrent une absorption cellulaire rapide de DOX-chargé PDA@PMAA ; la fluorescence apparaît dans le cytoplasme dans 1 h et se propage au noyau à 4 h, indiquant une endocytose efficace et libération du médicament. Les cellules HEK-293T exhibent >90% de viabilité après 24 h d'exposition à PDA@PMAA-1 vide à des concentrations jusqu'à 100 µg mL⁻¹, confirmant la biocompatibilité. Les cellules A549 montrent une cytotoxicité dose-dépendante : PDA@PMAA-1 vide avec laser réduit la viabilité à ~54% à 100 µg mL⁻¹ ; DOX-chargé PDA@PMAA-1 sans laser réduit la viabilité à ~38% à la même dose de médicament. La combinaison de DOX-chargé PDA@PMAA-1 et laser réduit la viabilité à ~16% (IC₅₀ = 2 µg mL⁻¹), nettement meilleure que chaque modalité seule (IC₅₀ = 5.6 µg mL⁻¹ pour DOX libre). La coloration vivante/morte corrobore ces résultats. Les données confirment un effet chimiophotothermique synergique, permettant des doses de médicament plus faibles et un dommage minimal au tissu normal.

Conclusion

Nous avons conçu une nanoparticule cœur de polydopamine–coquille de PMAA réticulée par disulfure qui offre simultanément une conversion photothermique NIR à haute efficacité, une libération de médicament réactive au redox et une excellente biocompatibilité. Le PDA@PMAA-1 chargé en DOX atteint une libération rapide et ciblée dans le microenvironnement tumoral et, combiné avec une irradiation laser de courte durée, produit une destruction tumorale supérieure (>85%) à de faibles concentrations de médicament. Cette plateforme multifonctionnelle tient une forte promesse pour la translation clinique de la thérapie combinée chimiophotothermique du cancer.