Visualisation, Mesure de la Taille et du Nombre de Nanoparticules Pour la Livraison de Médicaments Utilisant l’Analyse de Suivi de Nanoparticules (NTA)

Les cas d’utilisation de nanoparticules pour la livraison de médicaments augmentent rapidement. Les nanoparticules offrent des caractéristiques pharmacocinétiques exceptionnelles, une libération contrôlée et soutenue, ainsi qu’un ciblage de cellules, de tissus ou d’organes spécifiques. L’intérêt pour la livraison de médicaments par nanoparticules a également augmenté en raison du ralentissement de la découverte de nouveaux composés biologiquement actifs comme traitements thérapeutiques. Avec la diminution annuelle du nombre de nouveaux médicaments introduits sur le marché, l’intérêt pour l’utilisation des structures polyvalentes et multifonctionnelles des nanoparticules pour la livraison de médicaments se développe rapidement. Toutes ces caractéristiques peuvent améliorer l’efficacité des médicaments existants.

Les nanoparticules utilisées pour la livraison de médicaments sont définies comme des colloïdes inférieurs à un micromètre et peuvent être fabriquées dans divers matériaux de compositions variées. Les vecteurs de nanoparticules généralement définis incluent les liposomes, les micelles, les dendrimères, les nanoparticules lipidiques solides, les nanoparticules métalliques, semi-conductrices et polymériques. Les nanoparticules ont été largement adoptées de manière extensive pour délivrer des médicaments, des gènes, des vaccins, et pour des diagnostics à des cellules ou tissus spécifiques.

Compte tenu des systèmes de livraison de médicaments à base de nanoparticules, la taille des nanoparticules est un paramètre clé affectant directement la livraison, l’absorption, la dégradation et l’élimination du corps. Par exemple, des nanoparticules de diamètre compris entre 30 nm et plusieurs centaines de nm peuvent s’accumuler passivement sur les sites tumoraux en raison de la structure vasculaire fuyante et l’activité phagocytaire privilégie les particules de >500 nm, alors que dans le canal biliaire, les particules <30 nm et dans le rein, les particules <8 nm passent à travers sans accumulation. Le foie absorbe également moins de petites particules (25 nm et 50 nm) par rapport à de grandes particules (200 nm et 300 nm). Par conséquent, il est essentiel de mesurer précisément la taille des particules selon les différents systèmes et processus d'administration.

Analyse des systèmes de livraison de médicaments par NTA (Analyse de Suivi des Nanoparticules)

Liposomes

Les liposomes (Figure 1) ont été développés et étudiés activement pendant de nombreuses années et sont actuellement le système de livraison de médicaments ciblé le plus couramment utilisé. Les liposomes ont été approuvés en tant que systèmes de livraison pour l’amphotéricine B pour les infections fongiques ou protozoaires, la doxorubicine pour le traitement du cancer du sein, et le vaccin contre l’hépatite A et la grippe. L’importance de l’utilisation des liposomes dans les systèmes de livraison et leur potentiel continuent d’augmenter de manière évidente.

Figure 1

• Les traitements délivrés par liposomes peuvent protéger le médicament de l’action des enzymes dans les processus métaboliques.
• L’utilisation de liposomes peut rendre les substances liposolubles solubles.
• Relier des ligands spécifiques aux liposomes permet un ciblage thérapeutique sur des zones spécifiques.
• Les liposomes peuvent être facilement absorbés par les cellules.
• Les liposomes permettent de contrôler délibérément la vitesse de libération.
• L’utilisation des liposomes en tant que vecteurs peut réduire la dose ou la fréquence, diminuant ainsi la toxicité et les effets secondaires.
• Les liposomes peuvent transporter des substances biologiques telles que les protéines, l’ADN.

La taille des liposomes utilisés est de plus en plus reconnue comme un élément crucial de l’efficacité thérapeutique. La taille des liposomes de livraison des médicaments influe sur leur temps de circulation et de permanence dans le sang, l’efficacité du ciblage, le taux d’absorption cellulaire (ou l’absorption de particules étrangères par les cellules), et peut, par conséquent, affecter la réussite du relargage en conséquence. De telles considérations de taille sont essentielles pour tous les systèmes de livraison de médicaments à l’échelle nanométrique.

Mesure de la taille des liposomes par NTA

L’équipement NanoSight mesure rapidement et avec précision la taille et la concentration des liposomes en présence d’eau et d’autres solvants.

Seules de petites quantités et un prétraitement minimal des échantillons sont nécessaires. Cet équipement permet de visualiser les liposomes en suspension individuellement et de suivre leur mouvement brownien pour vérifier la distribution des tailles de particules en quelques secondes seulement.

Analyse simultanée en temps réel de plusieurs paramètres des nanoparticules

Outre la taille et la concentration, NTA peut fournir des informations sur les particules selon les paramètres suivants :

• Intensité de la diffusion permettant d’identifier les populations adjacentes de particules et de distinguer des matériaux de réfringence très différents.
• Cette capacité unique permet aux utilisateurs d’étudier si des structures de livraison de médicaments à l’échelle nanométrique, telles que les liposomes, diffèrent de leur contenu. En d’autres termes, les liposomes vides peuvent avoir des réfringences inférieures (capacité de diffusion de la lumière) à celles des liposomes contenant des substances réfringentes élevées. Par conséquent, ils peuvent être distingués même à des tailles très similaires.
• Une capacité de détection de fluorescence permet de classifier correctement des particules dans des environnements complexes. La capacité de fluorescence de NanoSight est décrite dans une note d’application supplémentaire.
• NTA a été utilisée pour étudier l’effet du sérum sur la stabilité de diverses études de liposomes en recherche de traitement photodynamique du cancer (Reshetov et al., Photochem Photobiol. Sept-Oct 2012, 88(5):1256-64. doi: 10.1111/j.1751-1097.2012.01176.x).

Utilisation de NTA dans d’autres systèmes de livraison de médicaments

PBAE (poly β-aminoester) peut servir de système de livraison pour thérapies géniques traitant divers types de cancers. PBAE offre un avantage supérieur par rapport à d’autres systèmes en combinant diverses liaisons polymériques avec l’ADN par des voies de combinaison. Bien qu’il présente une libération rapide due à l’hydrolyse, il pose des défis pour la variabilité de la dose, la production et le stockage. La lyophilisation est une méthode de stockage commune utilisée, et NTA a été utilisée pour évaluer l’impact de la lyophilisation sur l’agrégation (augmentation de taille) et la dégradation (réduction de taille) des nanoparticules PBAE-DNA (Tzeng et al. 2011 et Sunshine et al. 2012).

Le PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) est un système de livraison de médicaments approuvé par la FDA. Décomposé en acide lactique et glycolique, tous deux aboutissant à des voies métaboliques dans le corps, le PLGA a été utilisé pour la livraison de médicaments tels que l’amoxicilline et, également, pour les gonadotropines libérant des hormones dans le traitement du cancer avancé de la prostate. Le mycophénolate, un immunosuppresseur, a été encapsulé dans le PLGA pour réduire les niveaux de dose et par conséquent les effets secondaires toxiques. NTA a été utilisée pour vérifier la taille des nanoparticules comme paramètre important pour garantir une délivrance correcte et pour permettre aux chercheurs de comparer des résultats dans différentes études (Shirali et al. 2011).

Le succès du mouvement des molécules entre les membranes cellulaires est fondamental dans la livraison. Dans la plupart des cas, les molécules seules ne peuvent pas pénétrer dans la membrane cellulaire, nécessitant un vecteur de livraison efficace. Sokolova et al. (2012) ont examiné le phosphate de calcium (diamètre : 100nm-250nm, selon la fonctionnalisation) comme vecteur polyvalent pour fournir de petites et grandes molécules entre les membranes cellulaires, en utilisant NTA, DLS (Dynamic Light Scattering) et EM (Microscope Électronique).

Ohlsson et al. (2012) ont rapporté l’utilisation de NTA pour observer le vecteur unique de dispersions rapidement contrôlées entre des bicouches lipidiques de membranes cellulaires proteoliposomales sur des périodes inférieures à 100 millisecondes

Ghonaim et collègues ont largement rapporté les effets de la modification de la chimie des lipopolyamines et du spermine sur divers systèmes de livraison non virale pour les plasmides d’ADN et siRNA sous forme de nanoparticules (Ghonaim et al., 2007a, Ghonaim et al., 2007b, Ghonaim et al., 2007c, Ghonaim, 2008, Ghonaim et al., 2009, Soltan et al., 2009, Ghonaim et al., 2010). De même, Ofek et al. (2010) a adopté NTA pour caractériser les vecteurs de livraison siRNA basés sur la dendritique et Bhise a utilisé NTA pour mesurer la taille et la distribution de taille dans les études sur les polymères de livraison génique in vitro (Bhise et al., 2010). Récemment, Bhise a élargi cette recherche pour développer des analyses quantifiant le nombre de plasmides encapsulés dans des nanoparticules polymériques et a utilisé NTA pour mesurer la densité des plasmides par nanoparticule de 100 nm (Bhise et al., 2011).

Wei et al. (2012) ont identifié la nécessité de méthodes robustes pour l’analyse précise de la taille, de la forme et de la composition des nanoparticules en développement et en amélioration de médicaments nanométriques, ainsi que l’ingénierie de particules pour maintenir la toxicité non spécifique à de faibles niveaux et pour améliorer la stabilité pendant le stockage.

Il existe des exemples supplémentaires de mesures de tailles de systèmes de livraison de médicaments par nanoparticules et autres applications de livraison utilisant NTA (Hsu et al., 2010, Park et al., 2010, Tagalakis et al., 2010).