Thèse Radio-Amplification au Bismuth pour la Thérapie Anticancéreuse H/F - Université Paris-Saclay GS Chimie

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie
École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes
Laboratoire de recherche : Médicaments et Technologies pour la Santé
Direction de la thèse : Eric DORIS ORCID 000000031318602X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-31T23:59:59

Ce projet vise à améliorer la radiothérapie en utilisant des vecteurs nanométriques micellaires chargés avec un élément capable d'amplifier l'effet des rayonnements ionisants sur les tumeurs cancéreuses, tout en minimisant les dommages aux tissus sains. Ces vecteurs micellaires ont déjà été validés au laboratoire vis-à-vis de leur biocompatibilité in vitro/in vivo. Ils serviront pour l'encapsulation de dérivés moléculaires du bismuth qui seront synthétisés « à façon » pour les rendre compatibles d'un point de vue physicochimique avec l'encapsulation au coeur des micelles. Le bismuth est l'élément non radioactif qui possède le numéro atomique le plus élevé du tableau périodique ce qui lui confère une très forte capacité à absorber les rayonnements et réémettre des électrons secondaires cytotoxiques. Les formulations micelles-bismuth seront évaluées in vitro vis-à-vis de leur potentiel radioamplifcateur et leurs performances comparées aux systèmes de référence de la littérature.

Dans les approches radiothérapeutiques conventionnelles, la source d'irradiation peut être directement ionisante (ions, protons, électrons) pour les cellules, ou indirectement ionisante (photons, neutrons) par transfert d'énergie au milieu, suivi de la génération d'espèces radicalaires libres. En combinant la radiothérapie avec des nanoparticules métalliques à numéro atomique élevé (Z), il est possible d'augmenter l'effet de l'irradiation par un phénomène de radio-amplification. Les particules à Z élevé peuvent absorber les rayonnements et générer des espèces secondaires qui amplifieront localement la dose déposée. Des nanoparticules inorganiques de bismuth ont déjà été étudiées pour leur propriétés amplificatrices sous rayonnement. Le processus sous-jacent à l'amplification est complexe et peut être divisés en trois étapes: i) physique, avec l'activation et l'ionisation du métal, ii) chimique, avec la production de nouvelles entités chimiques provenant de l'eau et de l'oxygène moléculaire, et enfin iii) biologique, avec des dommages induits. Les nanoparticules de bismuth élargissent la fenêtre thérapeutique et peuvent permettre de contourner certaines limitations associées à la radiothérapie conventionnelle, telles que la radiorésistance tumorale et les dommages aux tissus sains.
Dans les approches ci-dessus, il demeure un problème central qui est l'adressage de l'élément radio-amplificateur vers les tumeurs. En effet, suite à une injection in vivo, ces systèmes peuvent être confrontées à une biodistribution aléatoire et s'accumuler en dehors de la zone tumorale à traiter. Pour pallier ce problème, plusieurs options peuvent être envisagées, dont l'injection directe intra-tumorale ou la fonctionnalisation chimique des plateformes afin de les rendre biocompatibles et circulantes. Si cette dernière option permet aux particules de s'accumuler passivement dans les tumeurs par un effet de perméabilité et de rétention accrue (effet EPR basé sur la porosité des vaisseaux sanguins qui irriguent les tumeurs), une stratégie de fonctionnalisation individuelle est à développer pour chaque formulation envisagée. De plus, il n'est pas possible de contrôler le « taux » de bismuth par unité de nanoparticule ce qui peut conduire à des effets délétères et nuire aux performances des nano-objets.
Ainsi, nous souhaitons mettre en place des micelles nanométriques polyvalentes pour la prise en charge et la vectorisation de dérivés moléculaires du bismuth (atomes de bismuth fonctionnalisés par des ligands). Ces micelles sont constituées d'une surface hydrophile biocompatible et d'un coeur hydrophobe pouvant servir de réservoir pour un principe actif, lui-même hydrophobe (ici les dérivés du bismuth synthétisés à façon). Les performances in vivo des micelles ont été déjà évaluées par notre équipe vis-à-vis de leur capacité à cibler les tumeurs sur des modèles animaux.

Parmi les modalités thérapeutiques utilisées dans la lutte contre le cancer, la radiothérapie est proposée à environ la moitié des patients. En radiothérapie, les rayons ionisants interagissent avec le milieu pour produire des espèces réactives de l'oxygène qui dégradent le matériel biologique et entrainent la mort cellulaire. Malheureusement, la radiothérapie n'est pas sélective et affecte également les tissus sains, conduisant à des effets indésirables. Pour contourner cette limitation, la vectorisation d'éléments métalliques lourds, à proximité du site à traiter, peut potentialiser l'effet des rayonnements par un effet de radio-amplification focalisé qui réduit la dose d'irradiation nécessaire à l'éradication des tumeurs et préserve l'intégrité des tissus sains. L'or est ainsi étudié par de nombreuses équipes pour ses propriétés radio-amplificatrices, car son numéro atomique élevé (Z = 79) permet la génération d'électrons secondaires (par des effets physiques de type Compton ou Auger), qui sont localement cytotoxiques.
Dans ce projet, nous souhaitons développer des vecteurs nanométriques capables de prendre en charge un élément à numéro atomique plus élevé que l'or et donc plus amplificateur afin augmenter l'efficacité en radiothérapie : le bismuth (Z = 83). Cet élément non toxique entre déjà dans la composition de certains médicaments obtenus sans ordonnance (ex. Pepto-Bismol). Nous proposons ainsi de moduler la physico-chimie de dérivés moléculaires du bismuth en réalisant la synthèse « à façon » de dérivés organiques du métal afin de permettre son encapsulation dans des vecteurs micellaires développés dans notre laboratoire. La capacité de ces vecteurs à cibler les tumeurs cancéreuses et leur biocompatibilité ont déjà été validés par notre équipe dans des études antérieures. Cette biocompatibilité assure la possibilité de pouvoir étudier rapidement, le cas échéant, le potentiel des objets micelles-bismuth en radiothérapie sur des modèles animaux si les résultats préliminaires in vitro sont concluants. De plus, la construction micellaire permet de moduler la charge active en bismuth par unité de micelle de manière à adapter la formulation à l'application choisie. Par ailleurs, la surface des objets peut être décorée avec des ligands de ciblage actif comme démontré précédemment par notre équipe pour une accumulation sélective du bismuth dans une sous-population cellulaire au sein de la tumeur.

1)Synthèse de dérivés « encapsulables » du bismuth
La substitution du triphényl bismuth (BiPh) par des acides carboxyliques gras (acide octanoïque) ou perfluorés (acide perfluorooctanoïque) s'effectuera par une réaction d'échange ligands. BiPh sera traité avec trois équivalents de l'acide carboxylique correspondant au reflux du THF. Les dérivés Bi(OC(O)R) seront isolés et la structure chimique déterminée par RMN.
2)Préparation de micelles à partir d'unités amphiphiles
Deux types d'amphiphiles, disponibles au laboratoire, seront étudiés :
- des amphiphiles constitués d'une chaine lipophile (C18) et d'une région poly(éthylène glycol) (PEG de 2 kDa) hydrophile. Ces amphiphiles permettront l'assemblage de micelles à coeur hydrocarboné.
- des amphiphiles constitués d'une unité perfluorotétradécanoate (C14) et d'une chaine PEG2000. Ces amphiphiles permettront l'assemblage de micelles à coeur fluoré.
L'auto-assemblage en micelles sera réalisé par sonication des amphiphiles en milieu aqueux à une concentration de 10 mg/mL. Le rayon hydrodynamique des objets sera mesuré par diffusion dynamique de la lumière (DLS).
3)Encapsulation des dérivés de Bi par ultrasonication
Les micelles chargées en Bi seront préparées par ajout de petits volumes définis d'une solution organique du dérivé de bismuth (50 mg/mL) à une solution aqueuse de micelles (10 mg/mL) sous ultrasonication. Cette étape permet l'encapsulation des dérivés du Bi et l'évaporation concomitante du solvant sous l'effet de l'échauffement local. Cette approche permet de contrôler finement le taux de chargement en Bi des micelles. La stabilité colloïdale sera vérifiée par des analyses DLS. La quantité de Bi encapsulé sera évaluée par ICP-MS après minéralisation acide (HNO/HCl).
4)Évaluation de la cytotoxicité intrinsèque sans irradiation
La cytotoxicité sera évaluée par des tests MTT sur lignées HeLa et MCF-7 avec des concentrations croissantes de Bi (0,01-10 µg/mL, 24-72 h) en maintenant la concentration micellaire fixe et des concentrations croissantes de micelles (0,1-100 µg/mL, 24-72 h) en maintenant la concentration en Bi fixe. Les micelles vides, sans Bi, seront utilisées comme contrôle.
5)Effet radioamplificateur
Des cultures de cellules cancéreuses HeLa ou MCF-7 seront irradiées (rayons ou X, doses 1-4 Gy) en présence de concentrations croissantes en Bi encapsulé dans des micelles. On se placera ici en amont du seuil de cytotoxicité mesuré ci-dessus.
-Tests de clonogénicité
Cette méthode évalue la capacité des cellules à former des colonies après un traitement génotoxique comme un rayonnement ionisant. Elle sera, dans le cadre de ce projet, réalisée par exposition de cultures cellulaires (HeLa ou MCF-7) bidimensionnelles en plaques aux rayonnements en présence de quantités croissantes de micelles-Bi. Après 7 à 21 jours d'incubation à 37 °C, les cellules seront fixées et colorées pour permettre la visualisation des colonies qui seront comptées ce qui permettra d'évaluer la mort cellulaire post-irradiation, avec modèles de courbes dose-réponse.
-Tests des comètes (comet assay)
Cette technique repose sur la lyse des cellules puis l'électrophorèse des fragments d'ADN pour mettre en évidence des « queues de comète » et permet de mesurer les cassures d'ADN (simple et double brin) au niveau cellulaire.
Ces méthodes complémentaires permettront une évaluation de l'impact des micelles-Bi sur cytotoxicité et de la génotoxicité induites par les rayons ionisants.
On étudiera également l'effet des micelles-Bi sur la production intracellulaire d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) sous irradiation avec l'utilisation d'une sonde pro-fluorescente (DCFH-DA) dont le signal augmente en présence de ROS.

M2 et/ou Ingénieur chimiste, spécialité chimie organique