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32. (FR3066501) PARTICULES LUMINESCENTES A BASE DE TERRES RARES ET LEUR UTILISATION A TITRE D'AGENT DE DIAGNOSTIC
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters
La présente invention concerne le domaine des sondes pour la détection et/ou la quantification de substances d’intérêt dans des échantillons biologiques. Elle a plus particulièrement pour objet de nouvelles particules inorganiques luminescentes, leur procédé de préparation et leur utilisation pour détecter et/ou doser la présence de protéines, d’anticorps, d’ADN, ARN et autres composés dans un échantillon biologique.
La détection et/ou la quantification des concentrations de biomarqueurs, d’anticorps ou d’ADN et ARN dans des échantillons biologiques (sang, sérum, salive, urine, liquide cérébro-spinal, etc.) sont indispensables pour le diagnostic médical.
Dans le domaine des diagnostics in vitro ou ex vivo, de l’analyse médicale et de la bioanalyse, un certain nombre de méthodes ont été proposées pour détecter et/ou doser la présence de substances spécifiques.
Ces méthodes reposent, d’une manière générale, sur l’utilisation d’une sonde mise en œuvre pour détecter et/ou quantifier une concentration en solution. Ces sondes sont couplées à des molécules, ADN ou protéines qui, directement ou via une série de réactions, vont se fixer à l’espèce moléculaire à analyser. Ensuite, les sondes qui ont réagi peuvent être détectées au moyen d’une ou plusieurs méthodes basées par exemple sur leur luminescence, leur absorbance, leur réactivité chimique, leur radioactivité, etc..
Les essais biochimiques les plus couramment mis en œuvre sont des essais d’immuno-absorption enzymatique (en langue anglaise « Enzyme-Linked Immuno Assay » ou ELIS A), qui reposent généralement sur l’utilisation de la peroxydase de raifort comme enzyme pour provoquer une réaction avec un substrat et quantifier la réaction chimique ayant lieu par mesure de l’absorbance du produit de la réaction dans la solution. Le choix du composé moléculaire auquel la sonde est couplée est déterminant pour l’efficacité de ces sondes. Plus précisément, l’efficacité de ces méthodes dépend de l’affinité spécifique du composé avec la substance cible. A titre d’exemples, les publications référencées [1] et [2] détaillent les caractéristiques de ces mécanismes.
Les sondes luminescentes mènent généralement à une détection plus sensible que les sondes détectées par leur absorbance car, dans le premier cas, les mesures de l’intensité lumineuse se font sur fond noir, tandis que, dans le deuxième, il s’agit de mesurer une variation de l’intensité lumineuse (mesures sur fond clair). Les sondes luminescentes actuellement disponibles présentent plusieurs désavantages qui ne permettent pas d’exploiter pleinement leur potentiel en tant que sondes de diagnostic.
Parmi ces inconvénients, on peut citer par exemple le phénomène de photoblanchiment dans le cas de fluorophores organiques qui, suite à des modifications structurales irréversibles, se traduit pas une disparition de la fluorescence, ou encore le phénomène de clignotement de l’émission pour les nanocristaux de semi-conducteurs, ou « quantum dots», les sondes cessant alors périodiquement d’émettre et étant par conséquent inadaptées pour produire un signal constant. D’autres inconvénients résultent par exemple de la largeur du spectre d’émission des sondes luminescentes. De fait, un spectre d’émission trop large rend difficile le filtrage du signal de fond éventuellement présent, et a une incidence sur la qualité du signal et, en particulier, sur le rapport signal à bruit. Il convient également de prendre en compte, en plus des facteurs optiques qui contribuent à l’efficacité de la sonde dans un test biologique, le caractère pratique et la facilité d’utilisation de la sonde. Ainsi, certaines particules, comme c’est le cas des nanocristaux de semi-conducteurs, perdent leurs caractéristiques de luminescence après congélation, ce qui représente un inconvénient pour le stockage des agents bio-conjugués. La facilité de couplage des sondes au composé moléculaire permettant de cibler les molécules souhaitées est également un aspect à prendre en considération pour le choix de la sonde adéquate. Ainsi, un certain nombre de particules, dont les nanocristaux de semi-conducteurs sont synthétisées dans des solvants organiques. Il en découle qu’une utilisation pour des applications biologiques nécessite des étapes supplémentaires de préparation de la surface pour réaliser une dispersion dans l’eau de ces particules, processus qui peut être complexe à mettre en œuvre et peu stable dans le temps.
Par ailleurs, les propriétés colloïdales des particules/sondes sont déterminantes pour la conduite des essais biologiques. De fait, des solutions de bonne stabilité colloïdale sont à même de fournir des milieux pour les essais de bonne homogénéité, et dès lors une meilleure reproductibilité au niveau des résultats de ces essais.
Enfin, la complexité et le coût sont des aspects importants dans le choix des sondes pour le diagnostic. Par exemple, des nanoparticules d’or, et leurs propriétés en termes de résonance plasmonique de surface, ont été proposées comme sondes de diagnostic, mais n’ont pas percé comme sondes pour le diagnostic in vitro, possiblement à cause de la complexité de la méthode de détection [3], ou éventuellement d’un coût élevé. Quant aux cristaux de semi-conducteurs, ils sont synthétisés dans des solvants organiques et requièrent des procédures de dispersion en milieu aqueux, ce qui rend leur synthèse complexe et ainsi coûteuse. Leur fonctionnalisation avec des groupements chimiques permettant le couplage aux composés moléculaires de reconnaissance des molécules cibles repose en outre sur des liaisons chimiques faibles, ce qui limite par conséquent leur stabilité, ce qui est préjudiciable pour la reproductibilité de tests de détection. A ce titre, les nanoparticules dopées par des ions de terres rares, telles que des nanoparticules de type YVOuEu, s’avèrent particulièrement avantageuses pour une mise en œuvre à titre de sondes pour la détection/quantification de biomolécules.
Des nanoparticules à base de vanadate d’yttrium dopé par des terres rares ont par exemple été décrites de façon détaillée par Riwotzki et al. [4] et Hui gnard et al. [5],
Ces nanoparticules sont particulièrement avantageuses au regard de leur excellente photostabilité, qui autorise l’acquisition d’un signal constant et prolongé, et une absence de phénomène de clignotement de l’émission. De plus, elles présentent un spectre d’émission étroit et un grand décalage de Stokes de l’émission. Ces deux caractéristiques permettent de filtrer efficacement le signal d’émission des nanoparticules en s’affranchissant des signaux parasites pour obtenir d’excellents rapports signal à bruit. Ces nanoparticules contiennent également plusieurs dizaines de milliers d’ions pouvant être excités et responsables de la luminescence. L’augmentation de l’intensité d’excitation induit ainsi une augmentation linéaire de la luminosité des particules, la saturation de l’émission n’étant atteinte que pour des intensités impraticables.
Enfin, ces nanoparticules ne perdent pas leur luminescence après congélation.
La synthèse en milieu solvant organique de nanoparticules luminescentes dopées par des ions de terres rares a par exemple été proposée dans le document EP 1 232 226 ou dans les publications [6], [7] et [8],
Il a également déjà été proposé la synthèse de ces nanoparticules luminescentes en milieu aqueux, par exemple par addition goutte-à-goutte de solutions de nitrates d’yttrium et d’europium à une solution d’orthovanadate (NasVOQ ([9], [10], [11], [12] et [13])·
Par ailleurs, les publications [14]-[19] proposent des méthodes de synthèse par voie hydrothermale de nanoparticules d’YVCL dopées par des ions de terres rares qui mettent en œuvre à titre de précurseur du métavanate d’ammonium ou de l’orthovanadate.
On peut encore citer le document US 8 337 804 qui propose une méthode de préparation de nanoparticules à base d’ions orthovanadate VO43', par exemple de YVO4 :Eu, en mettant en œuvre un milieu de réaction contenant de l’eau et au moins un polyol.
Quant au document EP 1 282 824, il décrit la mise en œuvre de nanoparticules luminescentes inorganiques, modifiées en surface, à titre de sondes pour détecter une substance biologique ou autre substance organique.
Les nanoparticules luminescentes, obtenues par les voies de synthèse connues précitées, et mises en œuvre en milieu aqueux, sont toutefois sujettes à des phénomènes de floculation, et ne permettent pas de conduire à des suspensions colloïdales stables. Dès lors, la quantité de nanoparticules en suspension est instable au cours du temps, et ne peut être déterminée de manière précise.
Cette incertitude au niveau de la teneur en particules luminescentes dans les suspensions colloïdales mises en œuvre est hautement préjudiciable lors de leur utilisation à titre de sondes dans des méthodes de diagnostic, puisqu’elle vient impacter la reproductibilité des résultats obtenus, par exemple lors de la détection/quantification des concentrations en biomolécules de l’échantillon testé.
En conséquence, les particules luminescentes dopées par des ions de terres rares obtenues par les méthodes de l’état de l’art ne permettent pas de donner entière satisfaction pour une mise en œuvre à titre de sondes de diagnostic.
La présente invention vise précisément à proposer de nouvelles particules luminescentes et une nouvelle voie pour leur synthèse, permettant de pallier les inconvénients précités.
En particulier, l’invention propose un moyen d’accéder à des nanoparticules luminescentes présentant une stabilité colloïdale améliorée en milieu aqueux, et avantageusement avec une meilleure reproductibilité de leur synthèse et des étapes ultérieures de fonctionnalisation et de couplage à un agent moléculaire de ciblage.
Ainsi, l’invention concerne, selon un premier de ses aspects, une particule luminescente comprenant une nanoparticule de formule :
Al-xLnxVO4(l-y)(PO4)y (I) dans laquelle :
. A est choisi parmi l’yttrium (Y), le gadolinium (Gd), le lanthane (La) et leurs mélanges;
. Ln est choisi parmi l’europium (Eu), le dysprosium (Dy), le samarium (Sm), le néodyme (Nd), l’erbium (Er), l’ytterbium (Yb) et leurs mélanges ;
. 0<x<l, en particulier 0,2<x<0,6 et plus particulièrement x vaut 0,4 ; et
. 0<y<l;
caractérisée en ce que la nanoparticule présente en surface des cations tétraalkylammonium.
Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de préparation de telles particules, mettant en œuvre une réaction de co-précipitation, en milieux aqueux, à partir de précurseurs des éléments A et Ln et en présence d’ions orthovanadate (VO43") et éventuellement phosphate (PO43"); ladite réaction étant opérée en présence d’une quantité efficace de cations tétraalkylammonium.
Les particules luminescentes selon l’invention, et leur voie de synthèse, s’avèrent avantageuses à plusieurs titres.
Cette nouvelle voie de synthèse repose sur la mise en œuvre de contre-ions volumineux de type tétraalkylammonium.
Les inventeurs ont ainsi découvert que la mise en œuvre de ces contre-ions volumineux dans la synthèse des nanoparticules à base d’ions de terres rares assure une stabilité colloïdale améliorée des particules en solution, et prévient notamment les phénomènes de floculation des particules.
Comme évoqué précédemment, la stabilité des particules en solution est particulièrement déterminante pour répondre aux exigences en termes de reproductibilité pour la mise en œuvre de ces particules à titre de sondes pour le diagnostic in vitro ou ex vivo.
Sans vouloir être liée par la théorie, cette amélioration en termes de stabilisation, résultant de la mise en œuvre de contre-ions tétraalkylammonium, comparativement par exemple à la mise en œuvre d’ions sodium, est liée à la différence du potentiel zêta des particules.
Le « potentiel zêta », noté ζ, peut être défini comme la différence de potentiel existant entre le sein de la solution, et le plan de cisaillement de la particule. Il est représentatif de la stabilité d’une suspension. Le plan de cisaillement (ou rayon hydrodynamique) correspond à une sphère imaginaire autour de la particule dans laquelle le solvant bouge avec la particule lorsque les particules se déplacent dans la solution. Le potentiel zêta peut être déterminé par des méthodes connues de l’homme du métier, par exemple par déplacement de la particule avec sa couche de solubilisation dans un champ électrique, comme détaillé dans la suite du texte.
De fait, comme illustré dans les exemples qui suivent, la mise en œuvre des contre-ions tétraalkylammonium induit un potentiel zêta négatif de la particule de valeur absolue accrue, comparativement par exemple au cas de la mise en œuvre de contre-ions sodium. Ce potentiel zêta négatif des nanoparticules de valeur absolue supérieure à 30 mV à pH d’environ 5 accroît les phénomènes de répulsion électrostatique des nanoparticules en solution aqueuse les unes par rapport aux autres, ce qui permet ainsi de supprimer les phénomènes de floculation. Il est en effet connu de façon empirique de l’homme du métier qu’un potentiel zêta de valeur absolue supérieure à 30 mV permet en général de supprimer les effets de floculation dans des milieux à faible force ionique.
Ainsi, comme détaillé dans la suite du texte, les nanoparticules de l’invention, présentant en surface des cations tétraalkylammonium, possèdent une valeur absolue du potentiel zêta, notée |ζ|, en milieu aqueux à pH d’environ 5, supérieure à 30 mV. L’invention concerne ainsi, selon un autre de ses aspects, une suspension aqueuse colloïdale comprenant des particules luminescentes selon l’invention.
Une suspension selon l’invention présente ainsi d’excellentes propriétés de stabilité colloïdale.
Par ailleurs, en termes de synthèse, les particules de l’invention sont synthétisées directement en milieu aqueux, et le protocole de synthèse requiert uniquement une réaction de co-précipitation. La préparation des nanoparticules de l’invention permet ainsi avantageusement de s’affranchir d’étapes d’élimination de solvants organiques et de transfert des nanoparticules dans d’autres solvants. Egalement, la synthèse des nanoparticules selon l’invention peut être avantageusement opérée à température ambiante.
Egalement, comme détaillé dans la suite du texte, les ions orthovanadate (VO43') mis en œuvre dans la réaction de co-précipitation pour former les nanoparticules de l’invention peuvent être avantageusement générés in situ à partir d’un sel de métavanadate, par exemple du métavanadate d’ammonium (NH4VO3) ou de sodium (NaVCE), avec ajout de deux équivalents de base forte, avantageusement des hydroxydes de tétraalkylammonium. L’utilisation du métavanadate à titre de précurseur permet avantageusement d’introduire des contre-ions volumineux de type tétraalkylammonium comme contre-ions de la base forte utilisée. Ainsi, la méthode de synthèse des particules selon l’invention présente une très bonne stabilité colloïdale.
Enfin, comme détaillé par la suite, les particules de l’invention peuvent être aisément couplées à des agents de ciblage à des fins de diagnostic, in vivo, ex vivo ou in vitro, via des réactions de fonctionnalisation/couplage variées. Les nanoparticules synthétisées selon l’invention trouvent ainsi une application particulièrement avantageuse en tant que sondes permettant la détection et/ou la quantification, ex vivo ou in vitro, dans des échantillons biologiques, avec une excellente reproductibilité. L’invention concerne ainsi, selon un autre de ses aspects, l’utilisation de particules selon l’invention, en particulier couplées à au moins un agent de ciblage, à titre d’agent de diagnostic, en particulier à titre d’agent de diagnostic in vitro ou ex vivo.
Selon encore un autre de ses aspects, elle concerne un kit de diagnostic, en particulier in vitro ou ex vivo, autrement dit un kit de détection et/ou de quantification in vitro ou ex vivo d’une substance d’intérêt biologique ou chimique dans un échantillon, comprenant au moins des particules luminescentes selon l’invention, en particulier sous forme d’une suspension aqueuse colloïdale.
Dans la suite du texte, on désignera plus simplement sous l’appellation « nanoparticule selon l’invention », la nanoparticule répondant à la formule (I) précitée à la surface de laquelle sont localisés des cations tétraalkylammonium.
On emploie par ailleurs l’expression « nanoparticule fonctionnalisée » pour désigner la nanoparticule selon l’invention fonctionnalisée en outre en surface par un ou plusieurs groupements tels que par exemple par du citrate, du polyacide acrylique (PAA), des fonctions aldéhyde, des fonctions acide carboxylique (COOH), des fonctions amines, etc..
Enfin, l’expression « nanoparticule couplée » sera employée pour désigner la nanoparticule de l’invention à l’issue de son couplage, après fonctionnalisai ion de surface, avec un ou plusieurs agents de ciblage, tels que des protéines, anticorps, ADN, ARN, aptamère, etc., comme détaillé dans la suite du texte. D’autres caractéristiques, variantes et avantages des particules selon l’invention, de leur procédé de synthèse et de leur mise en œuvre à titre de sondes pour le diagnostic ressortiront mieux à la lecture de la description, des exemples et des figures qui suivent, donnés à titre illustratif et non limitatif de l’invention.
Dans la suite du texte, les expressions « compris entre ... et... », « allant de ... à ...» et « variant de ... à ... » sont équivalentes et entendent signifier que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
Sauf indication contraire, l’expression « comportant/comprenant un(e) » doit être comprise comme « comportant/comprenant au moins un(e) ».
PARTICULES LUMINESCENTES
Comme précisé précédemment, les particules luminescentes de l’invention comprennent, voire sont formées, d’une nanoparticule de formule Ai-xLnxVO4(i-y)(PO4)y (I), dans laquelle A, x, Ln et y sont tels que définis précédemment, à la surface de laquelle sont présents des cations de type tétraalkylammonium. L’immobilisation des cations de type tétraalkylammonium à la surface des nanoparticules de l’invention résulte plus particulièrement d’interactions électrostatiques entre les ions de surface de la nanoparticule de formule (I) chargés positivement (par exemple Y3+, Gd3+ ou La3+ lorsque A représente respectivement Y, Gd ou La, ou Eu3+, Dy3+, Sm3+, Nd3+, Er3+ ou Yb3+ lorsque Ln représente respectivement Eu, Dy, Sm, Nd, Er, ou Yb) et les contre-ions de type tétraalkylammonium chargés négativement.
Par cations « tétraalkylammonium », on entend plus particulièrement désigner des cations tétra(Ci-C6)alkylammonium, c’est-à-dire des cations de formule NR.4+ avec R, identiques ou différents, représentant un groupe Ci-Cô-alkyl, en particulier Ci-C4-alkyl.
De préférence, les cations « tétraalkylammonium » sont des cations tétra(Ci-C3)alkylammonium, c’est-à-dire des cations de formule NR4+ avec R, identiques ou différents, représentant un groupe Ci-C3-alkyl.
Par « Ci-Cô-alkyl », on entend un groupe aliphatique saturé, linéaire ou ramifié, comprenant de 1 à 6 atomes de carbone. A titre d’exemples, on peut citer les groupes méthyle, éthyle, propyle, butyle, isopropyle, isobutyle, tertbutyle, etc.
Les cations tétraalkylammonium sont de préférence choisis parmi les cations tétraméthylammonium, tétraéthylammonium, tétrapropylammonium, tétrabutylammonium et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation particulier, les cations présents à la surface des nanoparticules de l’invention sont des cations tétraméthylammonium.
Les cations tétraalkylammonium, présents à la surface des nanoparticules de l’invention, peuvent être présents à raison de 100 à 10000 cations tétraalkylammonium par nanoparticule.
Les nanoparticules de l’invention répondent ainsi plus particulièrement à la formule (Γ) suivante :
Al-xLnxVO4(l-y)(PO4)y .(NR4+)z (Γ) dans laquelle :
. A est choisi parmi Y, Gd, La et leurs mélanges, de préférence A représente Y ;
. Ln est choisi parmi Eu, Dy, Sm, Nd, Er, Yb et leurs mélanges, de préférence Ln représente Eu ;
. 0<x<l, en particulier 0,2<x<0,6 et plus particulièrement x vaut 0,4 ;
. 0<y<l;
. R, identiques ou différents, sont tels que définis précédemment, de préférence représentent un groupe Ci-C3-alkyl, en particulier méthyle ; et
. z représente le nombre de cations tétraalkylammonium NR4+ localisés à la surface de ladite nanoparticule, en particulier z est compris entre 100 et 10000.
Selon un mode de réalisation particulier, la nanoparticule répond à la formule (I) ou (Γ) précitée dans laquelle y vaut 0.
Autrement dit, la nanoparticule de l’invention est de formule Ai-xLnxV04 (II), à la surface de laquelle sont localisés des cations tétraalkylamonium.
Ainsi, une nanoparticule de l’invention peut répondre plus particulièrement à la formule Ai-xLnxV04 · (NR.4+)z (IL), dans laquelle A, x, Ln, R et z sont tels que définis précédemment.
Selon un mode de réalisation particulier, A dans la formule (I), (Γ), (II) ou (IL) précitée représente l’yttrium (Y).
Selon un autre mode de réalisation particulier, Ln dans la formule (I), (Γ), (II) ou (IL) précitée représente Eu.
Ainsi, selon une variante de réalisation particulière, les particules de l’invention sont formées en tout ou partie d’une nanoparticule de formule Yi-xEuxV04 (III), avec 0<x<l, ladite nanoparticule présentant en surface des cations tétraalkylammonium.
Plus particulièrement, une nanoparticule de l’invention peut répondre plus particulièrement à la formule Yi-xEuxV04 · (NR4+)Z (ΠΓ), dans laquelle x, R et z sont tels que définis précédemment.
Selon un mode de réalisation particulier, le produit entre le taux de dopage, x, en ions Ln, en particulier en europium (Eu), et le rendement quantique de l’émission par la nanoparticule est maximisé.
En particulier, cela est utile lorsque l’on prévoit une excitation optique des ions Ln par excitation directe, i.e. en résonance avec les états électroniques de ces ions, et non par excitation de la matrice AVO4(i-y)(PO4)y et transfert d’énergie ultérieur vers ces ions.
Cette optimisation du produit entre le taux de dopage x en ions Ln et le rendement quantique peut être effectuée en utilisant un fort dopage en ions Ln, par exemple entre 0,2 et 0,6, et notamment de 0,4, sans pour autant diminuer le rendement quantique, en particulier en limitant les processus de transfert entre ions de dopage conduisant à une extinction de concentration. En particulier, afin de maintenir un rendement quantique élevé, il est nécessaire que la cristallinité de la particule ne soit pas parfaite. En effet, une excellente cristallinité favorise les processus de transfert entres ions de dopage, en particulier lorsque ceux-ci sont à proximité immédiate entre eux, comme cela est le cas pour des dopages élevés et, par conséquent, favorise les processus de désexcitation des ions par des processus non radiatifs liés au solvant. En particulier, un procédé de synthèse à température ambiante, ou tout au moins à température n’excédant pas 600°C, est favorable pour la cristallinité imparfaite requise pour ces nanoparticules.
La cristallinité des nanoparticules est considérée comme étant « imparfaite » lorsque la longueur de cohérence déterminée par le diffractogramme des rayons X dans au moins une direction cristallographique donnée est inférieure à 80 % de la taille de la particule dans cette direction-là telle que mesurée à partir des images de microscopie électronique à transmission. Différents types de cristallinité imparfaite peuvent être considérés : polycristallinité, défauts ou porosité. A titre d’exemple, la nanoparticule peut être de formule Yo,ôEuo,4V04 à la surface sont localisés des cations tétraalkylammonium,. En particulier, elle peut répondre à la formule Yo,ôEuo,4V04 · (NR.4+)Z, z représentant le nombre de cations tétraalkylammonium.
Il est entendu que les différents modes de réalisation précités, notamment en ce qui concerne la nature de la nanoparticule photoluminescente et des cations tétraalkylammonium de surface, peuvent être combinés. A titre d’exemple, une particule photoluminescente selon l’invention peut être formée d’une nanoparticule de formule Yo,ôEuo,4V04 à la surface de laquelle sont immobilisés des cations tétraméthylammonium.
Les nanoparticules de l’invention sont plus particulièrement de forme globalement ellipsoïdale allongée (« prolate » en langue anglaise).
La taille peut être mesurée par microscopie électronique à transmission. Les images de microscopie électronique à transmission permettent de déterminer la forme des nanoparticules (ellipsoïde allongée) et de déduire les dimensions moyennes des deux axes de l’ellipsoïde. On suppose en général que le troisième axe de l’ellipsoïde, non visible dans les images de transmission qui sont des projections 2D, est de longueur égale à l’axe de plus petite taille.
Les nanoparticules de l’invention, de forme ellipsoïde allongée, peuvent présenter une longueur du grand axe, notée a, comprise entre 20 et 60 nm ; et une longueur du petit axe, notée b, comprise entre 10 et 30 nm. En particulier, les nanoparticules de l’invention peuvent présenter une valeur moyenne de longueur du grand axe, a, de 40 nm et une valeur moyenne de longueur du petit axe, b, de 20 nm.
Comme évoqué précédemment, les particules luminescentes selon l’invention permettent d’accéder à des suspensions aqueuses présentant une très bonne stabilité colloïdale. A noter que cette stabilité est importante même dans des milieux de force ionique élevée comme c’est le cas dans le milieu de synthèse même avant purification (force ionique supérieure à 0,1 M). En particulier, une suspension aqueuse de particules selon l’invention présente peu, voire pas, de phénomène de floculation.
En particulier, les particules selon l’invention à la surface desquelles sont présents des cations tétraalkylammonium présentent un potentiel zêta, noté ζ, en milieu aqueux à pH autour de 5, inférieur à -30 mV.
Autrement dit, la valeur absolue du potentiel zêta, notée |ζ|, des particules de l’invention, en milieu aqueux à pH autour de 5, est supérieure à 30 mV.
Le « potentiel zêta » est un des éléments représentatifs de la stabilité d’une suspension. Il peut être par exemple directement mesuré à l’aide d’un équipement de type Zetasizer Nano ZS de la société Malvern. Cet équipement mesure à l’aide de dispositifs optiques les vitesses de déplacement des particules en fonction du champ électrique qui leur est appliqué.
Les nanoparticules selon l’invention sont de nature majoritairement cristalline et polycristalline, en particulier de taille moyenne de cristallites, déduite par diffraction de rayons X, comme détaillé dans les exemples qui suivent, comprise entre 3 et nm.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les nanoparticules selon l’invention sont couplées (ou greffées) à au moins un agent de ciblage, en vue notamment de leur utilisation comme sondes dans des méthodes de diagnostic, en particulier des méthodes de diagnostic in vitro ou ex vivo, pour la détection et/ou quantification d’espèces biologiques dans un échantillon biologique.
Autrement dit, les particules de l’invention peuvent comprendre au moins un agent de ciblage immobilisé à la surface de la nanoparticule.
Les agents de ciblage peuvent être de nature variée comme détaillé dans la suite du texte, en fonction de l’application recherchée pour les particules luminescentes de l’invention.
PREPARATION DES PARTICULES
Comme évoqué précédemment, l’invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un procédé de préparation de particules luminescentes comprenant une nanoparticule de formule :
Al-xLnxVO4(l-y)(PO4)y (I) dans laquelle :
. A est choisi parmi l’yttrium (Y), le gadolinium (Gd), le lanthane (La) et leurs mélanges, de préférence A représente Y ;
. Ln est choisi parmi l’europium (Eu), le dysprosium (Dy), le samarium (Sm), le néodyme (Nd), l’erbium (Er), l’ytterbium (Yb), et leurs mélanges, de préférence Ln représente Eu ;
. 0<x<l ; et
. 0<y<l. par réaction de co-précipitation, en milieu aqueux, à partir de précurseurs desdits éléments A et Ln, et en présence d’ions orthovanadate (VO43') et éventuellement d’ions phosphate (PO43');
ladite réaction étant opérée en présence d’une quantité efficace de cations tétraalkylammonium.
En particulier, l’invention concerne un procédé de préparation de particules luminescentes comprenant une nanoparticule de formule (Γ) :
Al-xLnxVO4(l-y)(PO4)y .(NR4+)z (Γ) dans laquelle :
. A représente Y, Gd, La ou leurs mélanges, de préférence A représente Y ;
. Ln est choisi parmi Eu, Dy, Sm, Nd, Er, Yb et leurs mélanges, de préférence Ln représente Eu ;
.0<x<l ;
. 0<y<l;
. R, identiques ou différents, sont tels que définis précédemment, de préférence représentent un groupe Ci-C3-alkyl ; et
. z représente le nombre de cations tétraalkylammonium NRZ localisés à la surface de ladite nanoparticule.
Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé de préparation de particules luminescentes comprenant une nanoparticule de formule (II), (ΙΓ), (III) ou (ΠΓ) telle que définie précédemment.
Les précurseurs des éléments A et Ln peuvent se présenter, de manière classique, sous la forme de sels desdits éléments, par exemple de nitrates, chlorures, perchlorates ou acétates, en particulier de nitrates. Les précurseurs des éléments A et Ln, et leur quantité, sont bien entendu choisis de manière adéquate au regard de la nature de la nanoparticule souhaitée.
Par exemple, la synthèse de nanoparticules de formule Yi-xEuxVCL (III) peut mettre en œuvre, à titre de composés précurseurs de l’yttrium et de l’europium, les nitrates d’yttrium (Υ(ΝΟί)ί) et d’europium (Eu(NO3)3).
Selon une caractéristique essentielle du procédé de l’invention, la réaction de co-précipitation est réalisée en présence d’une quantité efficace de cations tétraalkylammonium.
Les cations tétraalkylammonium sont plus particulièrement tels que définis précédemment. Ils sont de préférence choisis parmi les cations tétraméthylammonium, tétraéthylammonium, tétrapropylammonium, tétrabutylammonium et leurs mélanges. Il s’agit de préférence de cations tétraméthylammonium.
Par « quantité efficace », on entend plus particulièrement signifier que les cations sont mis en œuvre en une quantité suffisante pour procurer le résultat souhaité en termes de stabilité colloïdale de la suspension aqueuse desdites particules synthétisées.
En particulier, les cations tétraalkylammonium sont mis en œuvre en une quantité telle que les particules obtenues à l’issue du procédé de l’invention présentent un potentiel zêta, exprimé en valeur absolue, |ζ|, en milieu aqueux à pH autour de 5 supérieur à 30 mV. Comme illustré en exemple 1 qui suit, les cations tétraalkylammonium, dans la réaction de co-précipitation selon l’invention, sont des contre-ions des ions orthovanadate (VO43"), et éventuellement phosphate (PO43") (dans le cas où y 7 0).
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, les ions orthovanadate (VO43') sont générés in situ à partir d’un sel de métavanadate, de préférence du métavanadate d’ammonium (NH4VO3).
Les ions orthovanadate peuvent être plus particulièrement formés in situ par réaction dudit sel de métavanadate avec une base (plus précisément avec deux équivalents de base forte).
En particulier, la base mise en œuvre pour la formation in situ des ions orthovanadate à partir du sel de métavanadate est une source de cations tétraalkylammonium. Il peut s’agir par exemple d’un hydroxyde de tétraalkylammonium, par exemple de l’hydroxyde de tétraméthylammonium.
La mise en œuvre d’un sel de métavanadate tel que par exemple le métavanadate d’ammonium pour la synthèse des nanoparticules selon l’invention s’avère particulièrement avantageuse, comparativement à la mise en œuvre de l’orthovanadate de sodium, en ce qu’elle permet de s’affranchir des problèmes de reproductibilité liés aux variations de la teneur en carbonate de l’orthovanadate de sodium. A titre d’exemple, la réaction de synthèse à partir du métavanadate d’ammonium et de l’hydroxyde de tétraméthylammonium est représentée en exemple 1.
Il peut être également envisagé d’utiliser du métavanadate d’alkylammonium (non disponible commercialement) et une autre base forte, comme l’hydroxyde d’ammonium.
Le procédé de préparation des particules selon l’invention peut plus particulièrement mettre en œuvre au moins les étapes suivantes, consistant en :
(i) disposer d’une solution aqueuse, notée solution (1), comprenant des ions orthovanadate (VO43'), et éventuellement des ions phosphates (PO43'), et des cations tétraalkylammonium ;
(ii) ajouter à la solution aqueuse (1), une solution aqueuse, dite solution (2), comprenant lesdits précurseurs des éléments A et Ln, en particulier sous forme de sels, notamment de nitrates, dans des conditions propices à la formation par co-précipitation des nanoparticules de formule (I) ; et
(iii) récupérer lesdites nanoparticules de formule (I) à la surface desquelles sont localisés des cations tétraalkylammonium, formées à l’issue de l’étape
(ii).
La solution aqueuse (1) peut être plus particulièrement préparée par mélange d’au moins un sel de métavanadate, en particulier du métavanate d’ammonium et d’au moins une base, source de cations tétraalkylammonium, par exemple d’un hydroxyde de tétraalkylammonium.
Dans le cas des ions phosphates, on ajoute un sel de phosphate, tel que le phosphate de sodium ou le phosphate d’ammonium.
Ainsi, selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, le procédé de l’invention comprend au moins les étapes consistant en :
(i) préparer une solution aqueuse (1) par mélange, en milieu aqueux, d’un sel de métavanadate, en particulier du métavanadate d’ammonium (NH4VO3), et éventuellement un sel de phosphate, et d’une base, source de cations tétraalkylammonium, en particulier un hydroxyde de tétraalkylammonium ;
(ii) ajouter à la solution aqueuse (1), une solution aqueuse (2) comprenant lesdits précurseurs des éléments A et Ln, en particulier sous forme de sels, notamment de nitrates ;
dans des conditions propices à la formation par co-précipitation desdites nanoparticules de formule (I) ; et
(iii) récupérer les nanoparticules de formule (I) à la surface desquelles sont localisés des cations tétraalkylammonium, formées à l’issue de l’étape
(ii).
Selon un mode de réalisation particulier, l’ajout en étape (ii) de la solution (2) à la solution (1) est opéré goutte à goutte.
Le milieu aqueux des solutions (1) et (2) est plus particulièrement formé d’eau. Dans un mode de réalisation particulier, la solution aqueuse (2) contenant les précurseurs des éléments A et Ln peut également comprendre des complexants de ces éléments, tel que le citrate, par exemple le citrate de tétraalkylammonium.
Il appartient à l’homme du métier d’ajuster de manière adéquate les quantités des différents réactifs, en particulier des précurseurs des ions orthovanadate, éventuellement phosphate, et desdits éléments A et Ln, au regard de la nature souhaitée pour la nanoparticule de formule (I) selon l’invention.
En particulier, les proportions stœchiométriques des différents réactifs selon les formules (I), (Γ), (II), (IL), (III) et (HT) sont à respecter. Lorsque l’on prévoit une excitation optique des ions Ln par excitation directe, i.e. en résonance avec les états électroniques de ces ions, et non par excitation de la matrice AVCUp-y/PCUjy et transfert d’énergie ultérieur vers ces ions, comme évoqué précédemment, il est préférable de disposer d’une valeur élevée de x, de préférence entre 0,2 et 0,6, et de préférence 0,4.
De manière avantageuse, le procédé de préparation des particules de l’invention ne requiert aucun chauffage de la solution, à la différence notamment des méthodes hydrothermales proposées dans les publications [13]-[18], En particulier, l’ensemble des étapes (i) à (iii) pour la synthèse des particules selon l’invention peut être avantageusement opéré à température ambiante (20-25°C). Néanmoins, des procédés de préparation à plus haute température, par exemple de type hydrothermal, peuvent produire des nanoparticules de cristallinité similaire, à condition que la température n’excède pas 600°C, ce qui permet ainsi d’accéder à des nanoparticules présentant une cristallinité imparfaite comme évoqué précédemment, et ainsi obtenir un rendement quantique élevé. L’étape (iii) consiste plus particulièrement à purifier la solution de particules obtenues, notamment pour éliminer l’excès de contre-ions.
Les étapes de purification peuvent plus particulièrement comprendre des étapes de dialyse ou de centrifugation et redispersion des particules en milieu aqueux, par exemple par sonification.
Les particules peuvent être redispersées dans un milieu aqueux, en particulier dans l’eau. Comme évoqué précédemment, la suspension colloïdale aqueuse des particules de l’invention présente une très bonne stabilité, même après stockage pendant plusieurs mois.
Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne encore les particules obtenues à l’issue du procédé tel que décrit précédemment.
Selon une variante de réalisation particulière, l’invention concerne un procédé de préparation de particules formées en tout ou partie d’une nanoparticule de formule Yi-xEuxVCL (III), avec 0<x<l, comprenant au moins les étapes consistant en :
(i) disposer d’une solution aqueuse (1), comprenant des ions orthovanadate et des cations tétraalkylammonium, ladite solution aqueuse (1) étant de préférence obtenue à partir du mélange, en milieu aqueux, du métavanadate d’ammonium (NH4VO3) et d’un hydroxyde de tétraalkylammonium ;
(ii) ajouter à la solution aqueuse (1), une solution aqueuse, dite solution (2), comprenant des précurseurs de Y et Eu, en particulier des nitrates d’yttrium et d’europium, dans des conditions propices à la formation par co-précipitation des nanoparticules de formule (III) ; et
(iii) récupérer lesdites nanoparticules de formule (III) à la surface desquelles sont localisés des cations tétraalkylammonium, formées à l’issue de l’étape
(ii).
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé peut comprendre en outre une ou plusieurs étapes de couplage (greffage) des particules obtenues avec un ou plusieurs agents de ciblage, en vue notamment de leur utilisation pour une méthode de diagnostic in vitro, ex vivo, ou in vivo.
Il appartient à l’homme du métier de mettre en œuvre les méthodes de couplage/greffage adaptées pour préparer de manière adéquate les particules en vue de leur mise en œuvre comme sonde de diagnostic. La quantité d’agent(s) de ciblage mise en œuvre est ajustée au regard de la quantité de particules. L’agent de ciblage peut être greffé directement, ou via un espaceur (encore désigné sous les termes « linker » ou « spaceur »), à la nanoparticule.
Les méthodes de couplage (encore appelé greffage) des particules à des biomolécules sont bien connues de l’homme de l’art. Il s’agit en général d’un couplage par liaison covalente, par complexation de surface, par interactions électrostatiques, par encapsulation, ou par adsorption. Dans certains cas, dont le cas d’un couplage par liaison covalente, les particules peuvent être préalablement fonctionnalisées par un ou plusieurs groupements chimiques capables ensuite de réagir avec un autre groupement chimique porté par l’agent de ciblage pour former une liaison covalente.
Comme exemple de groupements chimiques pouvant être présents à la surface des nanoparticules, on peut citer les groupements carboxyle, amino, thiol, aldéhyde et époxy.
Par exemple, les nanoparticules de l’invention peuvent être fonctionnalisées en surface avec du citrate, comme illustré dans l’exemple 4 qui suit.
Selon un autre mode de réalisation particulier, les nanoparticules de l’invention peuvent être fonctionnalisées en surface par du polyacide acrylique (PAA). Dans le cas d’une fonctionnalisation avec du PAA, le nombre de liaisons de coordination (liaisons datives) formé par chaque molécule de PAA est d’autant plus important que le PAA est long. Le PAA peut par exemple présenter un degré de polymérisation allant de 3 à 10000.
De manière avantageuse, la fonctionnalisation des nanoparticules avec du PAA conduit à des nanoparticules fonctionnalisées, et à des nanoparticules résultant du couplage de ces nanoparticules fonctionnalisées avec un ou plusieurs agents de ciblage, qui présentent d’excellentes propriétés en termes de stabilité dans le temps.
APPLICATIONS
Comme précisé précédemment, les particules synthétisées selon l’invention, en particulier couplées à au moins un agent de ciblage, trouvent une application particulièrement avantageuse en tant que sondes ou bio-marqueurs dans des échantillons biologiques.
La présente invention concerne, selon un autre de ses aspects, l’utilisation des particules décrites précédemment ou obtenues selon le procédé décrit précédemment, en particulier couplées à au moins un agent de ciblage, ou d’une suspension aqueuse colloïdale de ces particules, à titre d’agent de diagnostic, c’est-à-dire pour la détection et/ou quantification d’une substance d’intérêt biologique ou chimique.
Les nanoparticules peuvent être notamment utilisées à titre d’agent de diagnostic in vitro ou ex vivo, autrement dit pour la détection et/ou quantification d’une substance d’intérêt biologique ou chimique au sein d’un échantillon, en particulier un échantillon biologique.
Les particules de l’invention peuvent être couplées avec des agents de ciblage variés.
Par « agent de ciblage », on entend un composé permettant une liaison avec une substance d’intérêt biologique ou chimique, et dont l’identification est recherchée.
Les sondes selon l’invention sont parfaitement adaptées à une grande diversité de ciblages biologiques, les spécificités étant dépendantes de la nature du ou des agents de ciblage greffés à la surface de la nanoparticule. L’agent de ciblage peut être plus particulièrement un anticorps polyclonal ou monoclonal, un fragment d’anticorps, un oligonucléide, un peptide, une hormone, un ligand, une cytokine, un peptidomimétique, une protéine, un carbohydrate, une protéine modifiée chimiquement, un acide nucléique modifié chimiquement, un carbohydrate modifié chimiquement qui cible une protéine de surface cellulaire connue, un aptamère, un assemblage de protéines et d’ADN/ARN ou un chloroalcane utilisé par les marquages de type HaloTag.
Selon un mode de réalisation particulier, il s’agit d’un anticorps ou fragment d’anticorps.
Des fragments d’anticorps appropriés comprennent au moins un domaine variable d’une immunoglobuline, tels que des domaines variables simples Fv, scFv, Fab, (Fab’)2 et autres fragments protéolytiques ou des « nanobody » (anticorps à domaine unique tels que les fragments VhH obtenus à partir d’anticorps de camélidés ou Vnar obtenus à partir d’anticorps de poissons cartilagineux).
Le terme « anticorps » selon l’invention inclut des anticorps chimériques ; des anticorps humains ou humanisés, des anticorps recombinants et modifiés, des anticorps conjugués, et leurs fragments.
Selon un mode de réalisation particulier, les anticorps ou fragments d’anticorps mis en œuvre selon l’invention ciblent des marqueurs spécifiques de cellules cancéreuses. L’agent de ciblage peut également être dérivé d’une molécule connue pour lier un récepteur de surface cellulaire. Par exemple, le fragment de ciblage peut dériver de lipoprotéines de faible densité, transferrine, EGF, insuline, PDGF, enzymes fibrinolytiques, anti-HER2, anti-HER3, anti-HER4, annexines, interleukines, interférons, érythropoïétines ou facteurs stimulant les colonies.
Les particules couplées à un agent de ciblage selon l’invention peuvent être utilisées dans les méthodes de diagnostic in vitro, ex vivo, ou in vivo, impliquant une reconnaissance d’un couple ligand/anti-ligand, par exemple biotine ou composés biotinylés/avidine ou streptavidine, haptène/anticorps, antigène/anticorps, peptide/anticorps, sucre/lectine, polynucléotide/complémentaire de polynucléotide, etc. étant entendu que l’un des éléments de ces couples constitue la molécule d’intérêt biologique, ou peut également être couplé à la molécule d’intérêt biologique.
Un exemple de couplage de particules selon l’invention de type Yo,ôEuo,4V04 à une protéine, la streptavidine, et à un anticorps est donné en exemple 4 qui suit.
Les particules selon l’invention permettent de déterminer, par exemple dans un échantillon biologique, la présence de la molécule d’intérêt qui s’associera à l’agent de ciblage, la révélation de l’association étant réalisée grâce aux propriétés de luminescence des particules de l’invention, après notamment l’élimination des agents de ciblage qui ne se seront pas liés à la molécule d’intérêt.
Les particules de l’invention peuvent être ainsi mises en œuvre pour la détection et/ou quantification de concentrations en biomarqueurs, anticorps, ADN, ARN, etc. dans des échantillons biologiques.
Les échantillons biologiques peuvent par exemple être choisi dans la liste comprenant le sang, le sérum, le plasma, la salive, l’urine, le liquide cérébro-spinal, etc..
Les méthodes de diagnostic in vitro ou ex vivo, pouvant mettre en œuvre les particules de l’invention sont largement connues de l’homme du métier. A titre d’exemples, elles peuvent comprendre les techniques suivantes : immuno-essai, immunomarquage, immuno-histochimie, immuno-cytochimie, immunomarquage, technique du Western-blot, technique dite du « dot blot », cytométrie en flux, méthode dite « FACS » pour « fluorescence-activated cell sorting », et plus généralement tout type de détection de biomolécules sur la surface de cellules vivantes ou fixées ou sur tranches de tissus cryogéniques ou non, ELISA, ELOSA, ELISPOT, analyse multiplexe/multidétection, hybridation in situ en fluorescence ou « FISH » (pour « Fluorescence in situ hybridization »), etc...
Les particules de l’invention peuvent encore être mises en œuvre dans une méthode de détection d’ADN par hybridation ou de détection d’ARN par RT-PCR suivie d’hybridation.
Les supports pour l’analyse in vitro ou ex vivo peuvent être de diverses natures. Il peut s’agir de lamelles, multi-puits, microplaques, gels, membranes, bandelettes, microcanaux, etc..
La détection peut être opérée par tout dispositif usuel, comprenant d’une manière générale, une source de rayonnement pour l’excitation des particules, par exemple un dispositif d’illumination laser, en particulier monochromatique, et un moyen de détection de l’intensité lumineuse émise par les particules, par exemple sous la forme d’une caméra telle qu’une caméra CCD, CCD à multiplication d’électrons (EM-CCD), ou photo-détecteur unique notamment du type photomultiplicateur ou photodiode.
Les maladies pouvant être diagnostiquées avec les particules de l’invention ne sont pas limitées et comprennent toutes maladies révélées par la présence d’un marqueur spécifique de la maladie, du type molécule d’intérêt biologique, pour lequel il existe un partenaire de liaison spécifique. A titre d’exemples, on peut citer les maladies infectieuses (bactériennes, parasitaires, ou virales, telles que le SIDA), les maladies inflammatoires et auto-immunes, les maladies cardiologiques, neurologiques, ou oncologiques (par exemple, les cancers solides tels que le cancer du sein ou de la prostate). L’invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un kit de diagnostic, in vitro, ex vivo ou in vivo, comprenant au moins des particules selon l’invention ou une suspension colloïdale aqueuse de ces particules.
En particulier, elle concerne un kit de détection et/ou de quantification in vitro ou ex vivo d’une substance d’intérêt biologique ou chimique dans un échantillon, comprenant au moins des particules selon l’invention ou une suspension aqueuse colloïdale de ces particules.
Le kit de détection peut plus particulièrement comprendre :
- un support à la surface duquel est immobilisé un agent de ciblage de l’analyte à détecter/quantifier, par exemple un premier anticorps, dit « anticorps de capture », spécifique à la substance d’intérêt biologique ou chimique à détecter/quantifier ; et
- un ou plusieurs récipients comprenant au moins des nanoparticules selon l’invention et au moins un agent de ciblage sous forme couplée ou non aux nanoparticules.
Le support peut être de tout type, notamment en verre ou en plastique, tel qu’une plaque, une colonne, un gel, des billes magnétiques, etc., comme évoqué précédemment. Il s’agit avantageusement d’une plaque multi-puits. L’immobilisation est typiquement réalisée par adsorption ou par liaison covalente sur la surface des puits.
Selon une première alternative, le kit peut comprendre des nanoparticules selon l’invention déjà couplées à un agent de ciblage, en particulier à des anticorps, appelés « anticorps de révélation » pour les distinguer des anticorps de capture immobilisés au niveau du support.
Les nanoparticules couplées aux anticorps, mises en œuvre dans un kit selon l’invention, peuvent être par exemple obtenues, comme décrit en exemple 4 et schématisé en figure 6, par couplage des nanoparticules couplées avec la streptavidine, avec des anticorps biotinylés, ou encore directement par couplage des anticorps sur les nanoparticules fonctionnalisées avec du citrate ou du polyacide acrylique.
Alternativement, le kit peut comprendre plusieurs récipients comprenant, de manière isolée, les nanoparticules selon l’invention et l’agent de ciblage, et à partir desquels le praticien peut préparer des nanoparticules selon l’invention couplées à l’agent de ciblage.
Par exemple, le kit peut comprendre un premier récipient comprenant les nanoparticules de l’invention fonctionnalisées avec du citrate ou du polyacide acrylique, et un deuxième récipient comprenant les anticorps biotinylés, la préparation des nanoparticules couplées aux anticorps impliquant l’activation des fonctions carboxyliques contenues dans le premier récipient comme décrit en exemple 4 suivie du mélange du contenu des premier et deuxième récipients.
Bien entendu, un kit de détection selon l’invention comprenant des particules selon l’invention n’est pas limité aux variantes de kits décrites ci-dessus.
Les particules de l’invention peuvent encore être mises en œuvre, selon un autre mode de réalisation, comme agent de diagnostic destiné à l’imagerie optique in vivo ou encore comme agent amplificateur de traitements in vivo par irradiation.
Selon encore un autre de ses aspects, la présente demande concerne ainsi des particules luminescentes selon l’invention, couplées ou non à au moins un agent de ciblage, pour leur utilisation in vivo en tant qu’agent de diagnostic destiné à l’imagerie optique ou à l’imagerie par résonance magnétique lorsque les particules comportent du gadolinium, ou à l’imagerie par rayons X. En particulier, elles peuvent être utilisées comme agent de contraste IRM.
Les nanoparticules de l’invention peuvent encore être utilisées en radiothérapie du fait de leur pouvoir sensibilisant.
Selon encore un autre de ses aspects, la présente demande concerne ainsi des particules luminescentes selon l’invention, couplées ou non à au moins un agent de ciblage pour leur utilisation in vivo en tant qu’agent amplificateur in vivo dans le traitement de cancers à l’aide d’une irradiation ionisante (électrons, protons, photons X ou γ,...).
Les nanoparticules sont ainsi utilisées pour renforcer la puissance destructrice de la radiothérapie dans les cellules tumorales, tout en diminuant la toxicité pour les tissus sains.
Les exemples et figures présentés ci-dessous sont uniquement donnés à titre illustratif et non limitatif de l’invention.
Figures
Figure 1 : Images obtenues par microscopie électronique à transmission (MET) des nanoparticules obtenues selon l’exemple 1 (Barre d’échelle : 60 nm (figure la) et 5 nm (figure lb), respectivement) ;
Figure 2 : Histogramme de taille des nanoparticules déterminé à partir d’images de MET pour un ensemble d’environ 300 nanoparticules selon l’exemple 1 ;
Figure 3 : Diffractogrammes des rayons X obtenus pour les nanoparticules synthétisées selon l’exemple 1 (trait noir), et 3 (trait gris) ;
Figure 4 : Représentation schématique des nanoparticules de l’invention fonctionnalisées avec du citrate (figure 4a) ou avec du polyacide acrylique (PAA) (figure 4b). A des fins de clarté, une seule molécule de citrate ou de PAA est représentée. Il est entendu que chaque nanoparticule peut comporter sur sa surface de nombreuses molécules de citrate ou de PAA.
Figure 5 : Représentation schématique des réactions pour le couplage d’une nanoparticule selon l’invention avec la streptavidine, selon l’exemple 4 ;
Figure 6 : représentation schématique du couplage des nanoparticules couplées avec la streptavidine, avec un anticorps biotinylé.
Il est entendu que les figures 4 à 6 sont des schémas de principe, notamment en ce qui concerne la structure des molécules de surface qui peuvent présenter plusieurs configurations autres que celle montrée sur ces figures.
EXEMPLES EXEMPLE 1
Synthèse de nanoparticules Yo.6Euo.4VO4 selon l’invention
Comme source d’ions de métavanadate VO3', on utilise du métavanadate d’ammonium NH4VO3,l’orthovanadate VO43' étant obtenu in situ suite à une réaction avec une base, ici l’hydroxyde de tétraméthylammonium, N(CH3)4OH. Des nitrates d’yttrium et d’europium ont été utilisés comme sources d’ions Y3+ et Eu3+.
Une solution aqueuse de 10 mL de NH4VO3 à O,1M et 0,2 M de N(CH3)4OH (solution 1) est fraîchement préparée.
Un volume de 10 mL d’une autre solution de Y(NÛ3)3 et de EulNCff à 0,1 M en ions (Y3+ + Eu3+) est ajoutée goutte à goutte à l’aide d’un pousse seringue dans la solution 1 à un flux de 1 mL/min.
Le rapport en concentration molaire entre Y/NCff et Eu/NCff est choisi en fonction du rapport entre ions Y3+ et Eu3+ souhaité dans la nanoparticule, typiquement le rapport molaire Y3+ :Eu3+ est de 0,6 : 0,4. Dès l’ajout de la solution Y(NO3)2/Eu(NO3)3, la solution devient diffusante et apparaît blanche/laiteuse sans formation de précipité. La synthèse se poursuit jusqu’à l’ajout total de la solution Y(NO3)2/Eu(NO3)3.
La solution finale de 20 mL doit à présent être purifiée pour éliminer l’excès de contre-ions. Pour ce faire, des centrifugations (typiquement trois) à 11000 g (Sigma 3K10, Bioblock Scientific) pendant 80 minutes suivies chacune d’une redispersion par sonification (Branson Sonifier 450 fonctionnant à 50 % à une puissance de 400 W) sont utilisées jusqu’à atteindre une conductivité strictement inférieure à 100 pS.cm"1.
La conductivité est mesurée à l’aide d’un conductimètre de chimie.
La synthèse des nanoparticules Yo,ôEuo,4V04 à la surface desquelles sont immobilisés les cations tétraméthylammonium peut être schématisée comme suit :
Deux essais de synthèse (« synthèse 1 » et « synthèse 2 ») sont effectués. Résultat L’observation visuelle de la solution de nanoparticules selon l’invention, après avoir été laissée au repos pendant 16 heures dans un flacon, montre une solution uniformément diffusante.
La solution finale reste très stable dans l’eau, même après plusieurs mois dans le pH final de la synthèse (environ pH 5). La solution reste stable y compris dans le milieu de synthèse (avant l’élimination de l’excès de contre-ions), de force ionique pourtant élevée (>0,l M).
Le potentiel zêta des nanoparticules est déterminé avec un appareil DLS-Zeta Potential (Zetasizer Nano ZS90, Malvern). Les résultats des potentiels zêta mesurés pour les nanoparticules des deux synthèses sont rassemblés dans le tableau 1 ci-après.
Pour les observations par microscopie électronique à transmission (MET), des solutions diluées de nanoparticules sont déposées sur une grille en carbone. Les observations sont réalisées à l’aide d’un microscope Philips CM30 fonctionnant à 300 kV avec une résolution de 0,235 nm. L’observation des nanoparticules par MET (figure 1) montre que les nanoparticules sont de forme éllipsoïde allongée. Les dimensions des nanoparticules sont déterminées à partir d’images de MET pour un ensemble d’environ 300 nanoparticules (figure 2). Les nanoparticules de l’invention présentent une longueur du grand axe, notée a, comprise entre 20 et 60 nm, avec une valeur moyenne d’environ 40 nm, et une longueur du petit axe, notée b, comprise entre 10 et 30 nm, avec une valeur moyenne d’environ 20 nm.
Les images de MET (figure 1) ne permettent pas de distinguer des plans cristallins, ce qui est probablement attribuable au fait que la nanoparticule est constituée de plusieurs cristallites de taille plus faible que la taille de la nanoparticule. La nature majoritairement cristalline et polycristalline des nanoparticules est confirmée par des expériences de diffraction de rayons X.
Le diffractogramme des rayons X obtenu à l’aide d’un diffractomètre Philips X-pert avec la raie Kai du Cuivre (λ=1,5418 Â), est représenté en figure 3. L’intensité diffractée est enregistrée en utilisant un détecteur X’Celerator area detector (PANalytical).
La longueur de cohérence dans une direction cristallographique et donc la taille moyenne des cristallites constituant la nanoparticule dans cette direction cristallographique peut être estimée à partir de la largeur des pics dans le diffractogramme RX par application de la formule de Scherrer. Les valeurs de longueur de cohérence obtenues pour les différentes directions cristallographiques sont comprises entre 3 et 40 nm. La longueur de cohérence dans au moins une direction cristallographique étant inférieure à la dimension de la nanoparticule dans cette direction, on peut en déduire que les nanoparticules sont d’une cristallinité imparfaite (polycristallinité, défauts ou porosité). Dans la direction (200) (Fig. 3, pic à 2Θξ25°), la longueur de cohérence est de 10,2 nm, légèrement plus faible que la longueur de cohérence pour les nanoparticules de l’exemple 3 (11,1 nm). EXEMPLE 2 (hors invention)
Synthèse de nanoparticules Yo.6Euo.4VO4 à partir de métavanadate de sodium, sans contre-ions volumineux
Pour la synthèse par co-précipitation de sels métalliques, des nitrates d’yttrium et d’europium ont été utilisés comme sources d’ions Y3+ et Eu3+. Comme source d’ions de métavanadate VO3", on utilise du métavanadate de sodium NaVCb, l’orthovanadate VO43", étant obtenu in situ suite à une réaction avec une base, ici l’hydroxyde de sodium, NaOH.
Une solution aqueuse de 10 mL de NaVOs à 0,lM et de 0,2M de NaOH (solution 1) est fraîchement préparée.
Un volume de 10 mL d’une autre solution de Y(NC>3)3 et de EiàNOrf à 0,1 M en ions (Y3+ + Eu3+) est ajoutée goutte à goutte à l’aide d’un pousse seringue dans la solution 1 à un débit de 1 mL/min.
Le rapport en concentration molaire entre YfNOrf et Eu(NO3)3 est choisi en fonction du rapport entre ions Y3+ et Eu3+ souhaité dans la nanoparticule, typiquement le rapport molaire Y3+ :Eu3+ est de 0,6 : 0,4. Dès l’ajout de la solution Y(NO3)2/Eu(NO3)3, un précipité laiteux apparaît. La synthèse se poursuit jusqu’à l’ajout total de la solution Y(NO3)2/Eu(NO3)3.
La solution finale de 20 mL doit à présent être purifiée pour éliminer l’excès de contre ions. Pour ce faire, des centrifugations (typiquement trois) à 11000 g (Sigma 3K10, Bioblock Scientific) pendant 80 minutes suivies chacune d’une redispersion par sonification (Branson Sonifier 450 fonctionnant à 50 % avec une puissance de 400 W) sont utilisées jusqu’à atteindre une conductivité strictement inférieure à 100 pS.cm"1. Résultat
Une comparaison de la solution obtenue avec la solution de nanoparticules selon l’invention obtenue en exemple 1 (pour une même concentration finale en ions vanadate), après 16 heures au repos, montre qu’à la différence de la solution de l’exemple 1, la solution est moins diffusante (moins blanche) ; un léger dépôt s’est formé au fond du flacon.
Le potentiel zêta des nanoparticules, déterminé comme décrit en exemple 1, est présenté dans le tableau 1 ci-après. EXEMPLE 3 (hors invention)
Synthèse de nanoparticules Yo.6Euo.4VO4 à partir d’orthovanadate de sodium, sans contre-ions volumineux
Pour la synthèse par co-précipitation de sels métalliques, des nitrates d’yttrium et d’europium ont été utilisés comme sources d’ions Y3+ et Eu3+. Comme source d’ions d’orthovanadate, VO43', est mis en œuvre de l’orthovanadate de sodium Na3VO4.
Une solution aqueuse de 10 mL de Na^VCfi à O,1M (solution 1) est fraîchement préparée. Le pH est mesuré et ajusté si nécessaire pour atteindre une valeur comprise entre 12,6 et 13.
Un volume de 10 mL d’une autre solution de Y(NC>3)3 et de EulNCff à 0,1 M en ions (Y3+ + Eu3+) est ajoutée goutte à goutte à l’aide d’un pousse seringue dans la solution 1 à un flux de 1 mL/min.
Le rapport en concentration molaire entre Y/NCff et Eu/NCff est choisi en fonction du rapport entre ions Y3+ et Eu3+ souhaité dans la nanoparticule, typiquement le rapport molaire Y3+ :Eu3+ est de 0,6 : 0,4. Dès l’ajout de la solution Y(NO3)2/Eu(NO3)3, un précipité laiteux apparaît. La synthèse se poursuit jusqu’à l’ajout total de la solution Y(NO3)2/Eu(NO3)3.
La solution finale de mL doit à présent être purifiée pour éliminer l’excès de contre-ions. Pour ce faire, des centrifugations (typiquement trois) à 11000 g (Sigma 3K10, Bioblock Scientific) pendant 80 minutes suivies chacune d’une redispersion par sonification (Branson Sonifier 450 fonctionnant à 50 % à une puissance de 400 W) sont utilisées jusqu’à atteindre une conductivité strictement inférieure à 100 pS.cm"1. Résultats
Une comparaison de la solution obtenue avec la solution de nanoparticules selon l’invention obtenue en exemple 1 (pour une même concentration finale en ions vanadate), après 16 heures au repos, montre qu’à la différence de la solution de l’exemple 1, la majorité des nanoparticules se sont déposées au fond du flacon ; la partie haute de la solution est presque transparente ce qui indique une absence de diffusion et donc de nanoparticules en solution.
Le potentiel zêta des nanoparticules, déterminé comme décrit en exemple 1, est présenté dans le tableau 1 ci-après.
Le diffractogramme des rayons X obtenu à l’aide d’un diffractomètre Philips X-pert est représenté en figure 3.
De même que pour l’exemple 1, la taille moyenne des cristallites constituant la nanoparticule dans la direction cristallographique (200) peut être estimée par application de la formule de Scherrer, et donne une valeur comprise entre 3 et nm. La taille des cristallites étant globalement inférieure aux dimensions de la nanoparticule, on peut en déduire que les nanoparticules synthétisées selon l’exemple 3 sont également polycristallines.
TABLEAU 1 : comparaison du potentiel zêta ζ des nanoparticules obtenues selon l’exemple 1 conforme à l’invention (synthèse à base de métavanadate d’ammonium avec contre-ions volumineux), et selon les exemples 2 et 3 non conformes à l’invention (synthèse à base de métavanadate de sodium sans contre-ions volumineux et synthèse à base d’orthovanadate sans contre-ions volumineux).
La comparaison des potentiels zêta des nanoparticules obtenues selon les exemples 1 à 3 confirment que les nanoparticules selon l’invention (exemple 1) présentent une stabilité colloïdale améliorée avec |ζ|>30 mV comparativement aux nanoparticules obtenues sans cations tétraalkylammonium (exemples 2 et 3). EXEMPLE 4
Couplage des nanoparticules avec la protéine streptavidine i. Greffage du citrate à la surface des nanoparticules A l’issue de la synthèse des nanoparticules selon l’exemple 1, on centrifuge la solution de nanoparticules à 17 000 g pendant 3 minutes, pour précipiter les éventuels agrégats de nanoparticules et on récupère le surnageant.
On prélève environ 250 pL de particules Yo,ôEuo,4V04 de concentration 5 mM en ions vanadate, et on les disperse dans 1 mL d’une solution d’eau distillée contenant l’ion citrate (concentration 0,2 M).
La solution est ensuite sonifiée pendant 5 minutes puis centrifugée à 17 000 g pendant 3 minutes. Cette étape est répétée 3 fois. A l’issue de ce greffage, les particules sont dispersées dans de l’eau distillée, solvant dans lequel elles sont stables.
La fonctionnalisation des nanoparticules par du citrate peut être remplacée par une fonctionnalisation par du PAA (par exemple de degré de polymérisation compris entre 3 et 10000), en mettant en œuvre un sel de PAA, comme par exemple un sel de sodium ou d’ammonium.
En figure 4, sont représentés de manière schématique les nanoparticules de l’invention fonctionnalisées avec (a) du citrate et (b) du polyacide acrylique. ii. Couplage des nanoparticules avec la streptavidine
On centrifuge les nanoparticules (NPs) greffées avec les ions citrate à 16 000 g pendant 1 heure, puis le culot est récupéré.
Le couplage des nanoparticules greffées en surface par du citrate avec la streptavidine est opéré suivant le protocole suivant : 1. Préparer fraîchement une solution mixte de EDC '/Sulfo-NHS 1 2 (concentration 30 et 30 mg/mL, respectivement) dans du tampon MES 3 (pH 5-6). 2. Disperser par sonification (bain ultrasons) le culot des NPs dans 250 pL de la solution préparée en étape 1. Les pertes lors des centrifugations étant faibles, la concentration en ions vanadate reste de l’ordre de 5 mM, ce qui donne une concentration en nanoparticules de 48 nM. (La concentration en vanadate des solutions de nanoparticules a été déterminée par dissolution des particules dans un milieu acide suivie d’une détermination colorimétrique de la concentration en ions vanadate, telle que décrite dans la référence Abdesselem et al., ACS Nano 8, 11126-11137 (2014). La concentration molaire en nanoparticules a été déterminée à partir de la concentration en ions vanadate, comme décrit dans la référence Casanova et al., Appl. Phys. Lett 89, 253103 (2006)). 3. Incuber à 37°C pendant 30 min sous agitation (plateau agitateur). 4. Préparer une solution de streptavidine (SA) de 100 nM dans du tampon phosphate pH 7,4 avec NaCI à 10 mM. Diluer la solution de streptavidine jusqu’à atteindre une concentration déterminée par le nombre de protéines greffées par nanoparticule souhaité (pour un rapport streptavidine: NPs de 1:1, 5:1 et 10:1, choisir, respectivement des concentrations de 4,8 nM, 24 nM et 48 nM). Rajouter 250 pL de cette solution à la solution de nanoparticules. 5. Laisser incuber entre 2 et 4h à température ambiante. 6. Rajouter 1 mL de PBST 4 et vortexer. 7. Faire une centrifugation de 6 500 g pendant 30 min et récupérer le culot pour éliminer les protéines non couplées aux NPs. Enlever totalement le surnageant. Redisperser les NPs couplées aux protéines dans lmL de PBST et sonifier au bain à ultrasons. Répéter cette étape deux fois. 8. Récupérer les NPs couplées aux protéines dans 250 pL de PBS 5 avec 1 % de BSA6. 9. Garder à 4°C pour utilisation immédiate ou aliquoter et garder à -80°C.
Le couplage des nanoparticules avec la streptavidine est représenté schématiquement en figure 5.
Matériel mis en œuvre pour l’essai de fonctionnalisation : 1 7V-(3-Dimethylaminopropyl)-A'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) (sigma, cat# E1769). 2 A-Hydroxysulfosuccinimide sodium sait (Sulfo-NHS) (sigma, cat# 56485). 3 2-(7V-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) (lOmM, pH 5-6). 4 Tampon phosphate salin pH 7,4 (10 mM NaCl)+ 0,05% Tween 20 (PBST). Albumine de sérum de boeuf (BSA) (sigma, cat# A3059). 6 Tampon phosphate salin (PBS) (pH 7,4, 10 mM NaCI).
Le nombre de molécules de streptavidine (SA) par nanoparticule (NP), noté R, caractérisé à l’issue du protocole de couplage, est déterminé via le dosage de la streptavidine par la méthode dite de BCA, selon le protocole détaillé ci-dessus.
Protocole de caractérisation du rapport streptavidine : nanoparticules (SA :NPs)
i. Dosage de la SA par la méthode dite de BCA
Principe
En milieu alcalin, les protéines réduisent Cu2+ en Cu. Le sel de l’acide bicinchoninique (BCA) forme un complexe coloré avec les ions Cu2+. Ce complexe est quantifiable grâce à son absorption à 562 nm.
Mode opératoire
Kit de test BCA de chez ThermoFisher (Pierce™ BCA Protein Assay Kit Cat. Num. 23225) • Préparation du réactif du test Cu2+/BCA selon le protocole du kit ThermoFisher. • Préparation de la SA pour la courbe d’étalonnage. Pour la courbe de calibration, le test est réalisé trois fois.
TABLEAU 2 : concentration en streptavidine des solutions d’étalonnage
Le mode opératoire est le suivant :
- Prendre une plaque de 96 puits. Mettre 25 pL de chaque tube d’étalon A à I (de concentration connue en SA) ou de protéines conjuguées aux nanoparticules à doser dans les puits correspondants.
- Rajouter 200 pL du réactif du test Cu2+/BCA dans chaque puits. Homogénéiser, couvrir et laisser incuber min à 37°C.
- Lire les absorbances (A) a 562 nm en fonction de la concentration finale en tenant compte de la dilution. Etablir la relation d'étalonnage A= f (Concentration SA en pg/mL) par régression linéaire.
La concentration des protéines conjuguées aux nanoparticules à doser est déduite à partir de l’équation de la régression linéaire obtenue avec la courbe d’étalonnage. ii. Caractérisation du rapport SA : NPs
La concentration massique de la streptavidine obtenue avec le test de BCA est convertie en concentration molaire via la formule suivante:
Pour obtenir le rapport (R) du nombre de SA : NPs, nous appliquons enfin l’équation suivante :
Le tableau 3 ci-dessous rassemble les valeurs obtenues pour les différents rapports de concentration entre la solution de streptavidine et la solution de nanoparticules de départ.
TABLEAU 3 : Caractérisation du couplage nanoparticule-streptavidine pour différents rapports de concentration entre la solution de streptavidine et la solution de nanoparticules.
Comme il ressort des résultats présentés dans le tableau 3, le nombre de molécules de streptavidine par nanoparticule après couplage, est du même ordre que le
rapport de concentration dans les solutions initiales, et indique ainsi un couplage de très bonne efficacité.
Les nanoparticules ainsi couplées à la streptavidine peuvent être avantageusement utilisées dans une méthode de diagnostic in vitro en couplant les nanoparticules à un anticorps biotinylé, comme illustré de manière schématique en figure 6.
Alternativement, il est également possible de coupler directement des anticorps aux nanoparticules greffées avec des ions citrate. Dans ce cas, le même protocole que ci-dessus est à utiliser en remplaçant la solution de streptavidine par une solution d’anticorps. Références [1] « Bioconjugate Techniques », GT Hermanson, Academie Press, 1996 ; [2] « Fluorescent and Luminescent Probes for Biological Activity. A Practical Guide to Technology for Quantitative Real-Time Analysis », Second Edition, Mason WT, Ed., Academie Press, 1999 ; [3] Nam et al., Science 301, 1884-1886 (2003); [4] Riwotzki et al., J. Phys. Chem. B 1998, 105, 12709-127 ; [5] Huignard et al., Chem. Mater. 2000, 12, 1090-1094 ; [6] Riwotzki et al., Angew. Chem. 2001, 40(3), 573-576 ; [7] Lehmann et al., J. Am. Chem. Soc. 2004, 126(45), 14935-14942 ; [8] Riwotzki et al., J. Phys.Chem. B.I, IB., 2000, 104, 2824-2828 ; [9] Huignard et al., Chem. Mater. 2000, 12, 10920-1094 ; [10] Giaume et al., Langmuir 2008, 24, 11018-11026 ; [11] Huignard et al., Chem. Mater. 2002, 14, 2264-2269 ; [12] Riwotzki et al., J. Phys. Chem. B 1998, 102, 10129-10135 ; [13] Mialon et al., Acs Nano, 2008 - ACS Publication, vol. 2, No. 12, 2505- 2512 ; [14] Li étal., J. Phys. Chem. C 2008, 112, 6228-6231 ; [15] Wu et al., J. Mater. Chem., 2003, 13, 1223-1228 ; [16] Liang et al., J. Alloys and Compounds 552 (2013) 289-293 ; [17] Wueia/., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 15791-15796; [18] Xu étal., Inorg. Chem. 2010, 49, 6706-6715 ; [19] Takeshita et al., Journal of Luminescence 128 (2008) 1515-1522.