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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
Les microgouttelettes de décafluoropentane développées avec une coquille de bromure de diméthyldioctadécylammonium présentaient une stabilité colloïdale exceptionnelle et une biointerface actractive. Les DDAB-MD se sont avérés être des réservoirs de médicaments efficaces caractérisés par une forte affinité pour les membranes plasmiques ainsi qu’une absorption accrue et une activité antitumorale de la doxorubicine contre le cancer du sein humain triple négatif (MDA-MB-231) modèle 3D.
L’amélioration significative des microgouttelettes de perfluorocarbone (DM) à changement de phase dans le vaste scénario théranostique passe par l’optimisation de la composition des DM en ce qui concerne l’efficacité de synthèse, la stabilité et la capacité d’administration de médicaments. Dans ce but, des DM de décafluoropentane (DFP) stabilisés par une coquille de surfactant cationique au bromure de diméthyldioctadécylammonium (DDAB) ont été conçus. Une forte concentration de DDAB-MD a été facilement obtenue en quelques secondes par insonation pulsée de haute puissance, ce qui a donné lieu à des gouttelettes de faible polydispersion de 1 μm. Un potentiel ζ très positif, associé à de longues chaînes d’hydrocarbures saturées de la coquille DDAB, sont des facteurs clés pour stabiliser la gouttelette et la cargaison de drogue qu’elle contient. La haute affinité de la coquille DDAB avec la membrane plasmique cellulaire permet l’administration localisée de chimiothérapies en augmentant la concentration du médicament à l’interface des cellules tumorales et en stimulant l’absorption. Cela ferait des DDAB-MD un outil d’administration de médicaments pertinent présentant une activité antitumorale élevée à de très faibles doses de médicament.
Dans ce travail, l’efficacité d’une telle approche a été démontrée pour améliorer considérablement l’effet de la doxorubicine contre les sphéroïdes 3D de cellules tumorales de mammifères, MDA-MB-231. L’utilisation de cultures cellulaires tridimensionnelles (3D) développées sous la forme de sphéroïdes tumoraux multicellulaires (c’est-à-dire des cellules densément emballées de forme sphérique) présente de nombreux avantages par rapport aux cultures cellulaires 2D : en plus d’avoir le potentiel de combler le fossé entre les études in vitro conventionnelles et les tests sur les animaux, elle améliorera la capacité à réaliser des études in vitro plus prédictives des tests de criblage pour le développement préclinique de médicaments ou évaluer le potentiel de médicaments hors AMM et de nouvelles stratégies de co-ciblage.
Les vecteurs d’administration de médicaments capables d’assurer une efficacité antitumorale élevée et de réduire les effets secondaires sont des objectifs principaux tout en restant un défi chimico-pharmaceutique sévère 1,2. À ce jour, leur progression est limitée dans un premier temps par le contraste entre une libération insuffisante de médicament in situ et un niveau critique de toxicité non spécifique 3,4,5. Ces dernières années, plusieurs systèmes d’administration de médicaments ont été mis en œuvre pour améliorer l’administration d’agents anticancéreux, notamment les liposomes, les micelles polymères, les polymères 6,7,8,9,10. Ces systèmes ont le potentiel d’augmenter le temps de circulation et la sélectivité des médicaments, tout en réduisant la distribution et l’accumulation dans les organes et les tissus sains. Quoi qu’il en soit, les formulations encapsulées de médicaments de chimiothérapie antinéoplasiques, tels que les anthracyclines, ont conduit à une efficacité d’internalisation des médicaments considérablement réduite. Récemment, les porteurs microniques et submicroniques sensibles aux stimuli, tels que les microbulles11, les microgouttelettes, les nanoparticules d’or hybrides12, les nano-hydrogels13, les échafaudages PLGA et les plateformes mésoporeuses14, ont suscité un intérêt pharmacologique pour leur grande polyvalence dans le ciblage et l’exercice d’effets inhibiteurs de tumeurs à l’aide de la doxorubicine (Dox) et du docétaxel. Des expériences pionnières visant à transformer ces porteurs en soldats anticancéreux efficaces pour des tâches multimodales (c’est-à-dire des approches chimiothérapeutiques, photothermiques et synergiques génétiques) et l’imagerie moléculaire15 ont ouvert la voie à la nanomédecine théranostique personnalisée.
Dans ce scénario, les microgouttelettes de perfluorocarbone (DM) à changement de phase ont été évaluées en fonction de l’opportunité clé qu’elles offrent pour conjuguer une charge élevée de médicaments, la polyvalence chimique de la coquille des DM abordant les barrières biologiques, la stabilité colloïdale et l’efficacité de synthèse11,12. Comme atout supplémentaire, l’échogénicité des DM favorisée par la vaporisation acoustique ou optique du noyau perfluorocarboné (PFC) permet de gagner en imagerie in situ et en efficacité thérapeutique prometteuse. De plus, la vaporisation du noyau des MD obtenue par la libération d’énergie de faisceaux de particules ionisantes peut être exploitée pour le suivi de faisceau et la dosimétrie des rayonnements.
La présente étude vise à développer des microgouttelettes de décafluoropentane (DFP) stabilisées par une couche multiple utilisable de surfactant cationique au bromure de diméthyldioctadécylammonium (DDAB). Les DDAB-shelled-MD répondent à la fois aux attentes physico-chimiques et biologiques. Il a été démontré que les microgouttelettes à base de DFP sont de précieux agents de contraste à changement de phase pour obtenir des DM perfluorocarbonées biocompatibles et stables16. Le gel cristallin DDAB sature les longues chaînes à température physiologique, pénétrant profondément dans le noyau hydrophobe, stabilisant la gouttelette et la cargaison de drogue qu’elle contient. De plus, le potentiel de ζ positif élevé à l’interface de l’eau améliore la stabilité colloïdale des DM. L’attrait biologique de la surface de la coquille DDAB réside dans sa capacité à provoquer la mort de bactéries et de champignons, à des concentrations qui affectent à peine les cellules de mammifères, et à lier les membranes plasmiques, les protéines antigéniques chargées négativement, les nucléotides, l’ADN ou les nanoparticules. Les caractéristiques mentionnées ci-dessus peuvent être exploitées pour générer une action immunoadjuvante, génique et antitumorale remarquable dans les cellules de mammifères17.
Les DDAB-MD chargés en dox (Dox@DDAB-MD) décrits ici favorisent la libération de médicaments contre les cellules cancéreuses du sein triple négatif très agressives, invasives et peu différenciées. Un protocole simple et rapide est décrit ci-dessous, basé sur l’insonation de sonde de haute puissance pour obtenir des DDAB-MD stables et à haute densité avec une distribution de taille étroite avec une efficacité de charge élevée de Dox dans une formulation en une seule étape. De telles caractéristiques sont compétitives même pour d’autres méthodes de préparation telles que les dispositifs microfluidiques et les homogénéisateurs à haut cisaillement16.
L’autre problème majeur qui limite la conception de vecteurs d’administration de médicaments efficaces est que l’activité d’un médicament est fonction de divers paramètres (par exemple, l’absorption, la distribution, les concentrations) pouvant être obtenus dans une cible biologique réelle, qui ne peuvent pas être pris en compte par les modèles cellulaires monocouches18. Pour cette raison, l’histoire du développement de nouvelles formulations antitumorales est parsemée d’études in vitro qui se sont malheureusement révélées inefficaces déjà au niveau des modèles précliniques chez l’animal19.
En particulier, la nécessité de passer des cultures cellulaires à un système plus complexe et plus fiable que les études in vivo et ex vivo est liée aux limites inhérentes aux études pharmacologiques sur cultures 2D. Dans ce contexte, les systèmes 3D in vitro sont inclus, tels que les sphéroïdes, les organoïdes, les organes sur puce, qui simulent la morphologie, l’activité et la réponse physiologique de structures plus complexes que les monocouches2D 20. D’un point de vue préclinique, les modèles cellulaires 3D imitant le microenvironnement cellulaire offrent la possibilité de mieux comprendre la biologie complexe dans un cadre physiologiquement plus pertinent dans lequel les cultures monocouches traditionnelles ne sont pas efficaces21,22.
Après avoir prouvé que les DDAB-MD peuvent interagir avec la membrane cellulaire des cellules cancéreuses du sein humain, favorisant l’internalisation des médicaments et la mort cellulaire à très faible concentration de Dox (nanomolaires), l’efficacité d’une telle méthodologie contre les sphéroïdes 3D DE CELLULES TUMORALES DE MAMMIFÈRES, MDA-MB-231, a été testée.
REMARQUE : Tous les réactifs et instruments sont répertoriés dans le tableau des matériaux.
1. Fabrication et caractérisation des microgouttelettes
2. Fabrication de sphéroïdes dans des substrats non adhésifs micro-moulés
3. Traitement sphéroïde
4. Caractérisation de la taille et de la morphologie des sphéroïdes
5. Essai de prolifération/viabilité : microscopie à fluorescence avec coloration de cellules vivantes
REMARQUE : Suivez les instructions de fabrication de sphéroïdes jusqu’à l’étape 2.2.5.
6. Analyse et acquisition d’images
7. Analyse des données sphéroïdes
Les Dox@DDAB-DM ont été élaborées conformément au protocole (section 1) décrit schématiquement à la figure 1. Les DM obtenus sont constitués d’une monocouche de DDAB encapsulant le noyau DFP (Figure 1A). La charge cationique du DDAB et le processus de sonication évitent la formation de couches multilamellaires DDAB empilées à l’interface DFP et eau23.
Pour améliorer l’efficacité des anthracyclines en tant que médicaments antitumoraux, ce travail présente la formation de gouttelettes de PFC décortiquées de DDAB encapsulant le médicament chimiothérapeutique doxorubicine (Dox) et l’effet d’une telle formulation interagissant avec les cellules cancéreuses du sein triple négatif hautement agressives, MDA-MB-231.
Renforcement des DOX@DDAB-DM
Les MD chargés de Dox ont été for...
Conflit d’intérêts : Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Droits de l’homme/animal : Cet article ne contient aucune étude sur des sujets humains ou animaux réalisée par l’un des auteurs.
Ces travaux ont reçu un financement du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention AMPHORA (766456).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
µ-Petri dish | Ibidi | 81156 | 35mm high, IbiTreat |
1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-Decafluoropentane | Sigma-Aldrich | 138495-42-8 | b.p. 55°C |
12-well culture plate | Corning | ||
15 ml centrifuge tube | Falcon | 89039-664 | |
3D-Petri dishes 12:256 | Microtissues (Sigma-Aldrich) | Z764000-6EA | Small |
3D-Petri dishes 12:81 | Microtissues (Sigma-Aldrich) | Z764019-6EA | Large |
5%CO2 culture incubator, 37°C | Thermo Scienific | HERAcell 150i | |
50 ml centrifuge tube | Falcon | 352070 | |
Biological safety cabinet, II level | |||
Calcein | Sigma-Aldrich | ||
Calcein-AM | Sigma-Aldrich | 148504-34-1 | 4mM stock solution in DMSO |
cam sCMOS Andor Zyla 4.2 | Andor Instruments | ||
Centrifuge Hettich Universal 320R | Hettich Lab. Technology | ||
DAPI | SIgma-Aldrich | ||
Dimethyldioctadecylammonium bromide powder | Sigma-Aldrich | 3700-67-2 | |
DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) | Corning | 15-013-CV | |
Doxorubicin hydrochloride | Sigma-Aldrich | 25316-40-9 | |
DPBS (Dulbecco's Modified PBS) | Corning | 21-030-CV | pH 7,4 |
Ethanol 70% | Sigma-Aldrich | ||
EZ-C1 digital ecliplse | Nikon Instruments | Silver version 3.91 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-079-CV | |
Goniometer BI-200SM | Brookhaven Instruments Corporations | ||
Laser Ar+ | Spectra Physics | ||
Laser He-Ne | Melles-Griot | ||
L-Glutammine | Corning | 25-005-CI | |
Mcroscope Nikon Eclipse Ti | Nikon Instruments | ||
MDA-MB 231 cell line | ATCC | ||
Microsoft Excel | Microsoft | ||
Microplates reader Spark | Tecan group | ||
NanoZetaSizer ZS | Malvern Instruments LTD | ||
Neubauer improved chamber | 718605 | ||
NIS Elements software | Nikon Instruments | AR 4.30 | |
Pen/Strepto | Corning | 30-002-CI | |
Photocorrelator BI-9000 AT | Brookhaven Instruments Corporations | 62927-1 | |
Photometer HC120 | Brookhaven Instruments Corporations | N° 1275 | |
Pipettors and tips, various size | Gilson | ||
Propidium Iodide | SIgma-Aldrich | ||
Serological pipets, various size | Corning | ||
Solid-state laser | Suwtech Laser | N° 22368 | |
T25 Flasks | Sarstedt | 83.3910.002 | |
T75 Flasks | Sarstedt | 83.3911.002 | |
Trypsin/EDTA 0.05% | EuroClone | ECB3052D | |
Vibra-Cell VCX-400 | Sonics & Materials, inc | ||
Water bath | 37°C |
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