Studies of the impact of core-shell polystyrene nanoparticles on cell membranes and biomimetic models

Étude des interactions de nanoparticules "coeur-enveloppe" avec des cellules et des membranes biomimétiques L’objectif de ce projet est d’étudier l’interaction de nanoparticules polymères avec les membranes, soit directement sur des cellules entières ou grâce à des modèles membranaires biomimétiques, dans l’optique de valider leur utilisation dans le cadre d’applications biologiques. Des nanoparticules (NPs) polymères cœur/enveloppe avec un diamètre inférieur à 100 nm ont été synthétisés. Cette taille a été choisie afin de leur permettre de pénétrer à travers les membranes plasmiques. Des nanoparticules ayant la même composition chimique mais avec un diamètre hydrodynamique supérieur, de l’ordre de 250 nm, ont été également préparées afin de mettre en évidence l’effet de la taille des particules sur le processus d’internalisation cellulaire. Dans cette thèse, une méthode innovante de synthèse monotope a été développée pour obtenir des NPs coeur-enveloppe, compatibles en milieu aqueux et présentant à leur surface des résidus iniferter. Le coeur est composé de polystyrène avec une taille d’environ 30 nm. Un large éventail de fonctionnalités peut être greffé sur la surface du coeur par polymérisation radicalaire contrôlée en faisant varier différents types de monomères. L’épaisseur de l’enveloppe peut être ajustée en fonction de la concentration en monomère et du temps de polymérisation. Les nanoparticules synthétisées ont été caractérisées par diffusion dynamique de la lumière, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, par analyse micro-élémentaire et par microcopie à transmission électronique. Les interactions des NPs à coeur polystyrène et avec des enveloppes de charge neutre et négative ont été étudiées avec des cellules kératinocytes épidermiques humaines néonatales (NHEK), des fibroblastes primaires humains et les cellules HACaT de kératinocytes humains. Les études de cytotoxicité réalisées en utilisant un marquage à l’iodure de propidium et un test à la lactate déshydrogénase n’ont relevé aucune toxicité sur les lignées testées. Cependant, le suivi de la prolifération cellulaire par impédance électrique de substrats cellulaires a indiqué que les nanoparticules anioniques induisent une forte diminution de la prolifération des kératinocytes. L’internalisation cellulaire des NPs a été confirmée par microscopie confocale qui n’indique pas leur colocalisation avec les endosomes précoces, les lysosomes et l’actine. De plus, les données obtenues par triage cellulaire par cytofluorométrie soutiennent qu’un mécanisme énergétiquement-dépendant est mis en œuvre pour l’internalisation des NP neutres, ce qui semble être moins le cas pour les nanoparticules négatives. Les membranes biomimétiques ont été employées afin d’étudier les spécificités des interactions entre nanoparticules et lipides dans des conditions contrôlées. L’étude sur des modèles de vésicules géantes couplée à de la spectroscopie de fluorescence a révélé que les nanoparticules coeur/enveloppe sont capables d’interagir profondément dans la région hydrophobe de la membrane, mais uniquement quand la bicouche lipide est en phase fluide désordonnée. Le mode de pénétration des NPs au travers de la bicouche des vésicules semblent engendrer la formation de pores. Un effet plus prononcé de rigidification de la bicouche a pu être observé lors de l’interaction de nanoparticules chargées négativement avec les bicouches de phosphatidycholines. Cet effet pourrait être attribué à un changement de l’orientation des têtes phosphocholines du à des interactions électrostatiques. En conclusion, les nanoparticules polymère que nous avons synthétisées apparaissent être des outils polyvalents pour les études d’interaction cellulaire et d’imagerie. Ces nanomatériaux peuvent être éventuellement être employés pour la délivrance de médicaments en incorporant les molécules actives dans une enveloppe polymère thermosensible par exemple.