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Multifonctionnalisation des nanomatériaux à base de carbone

1. Nanotubes de carbone

L’application des nanotubes de carbone (NTC) en nanomédecine a été largement explorée grâce à leurs propriétés physicochimiques uniques. Afin de pouvoir exploiter pleinement leurs propriétés et améliorer leur biocompatibilité, la fonctionnalisation de leur surface est une étape cruciale. En particulier, la multifonctionnalisation des NTC est nécessaire pour leur conférer de multiples propriétés utiles pour le développement de futurs conjugués thérapeutiques multifonctionnels basés sur les NTC (1). Dans ce contexte, nous avons développé une stratégie originale et efficace pour la triple fonctionnalisation covalente des NTC basée sur une réaction d’arylation effectuée en une seule étape en présence d’un mélange de trois sels d’aryldiazonium (2). Les NTC ont été fonctionnalisés avec des benzylamines bloquées avec trois groupements protecteurs différents qui peuvent être clivés de manière sélective et séquentielle dans des conditions spécifiques (Figure 1). Il s’agit de la seule approche développée à ce jour pour la triple fonctionnalisation covalente des NTC. Nous avons exploité cette stratégie pour contrôler la conjugaison covalente d’un agent anticancéreux (gemcitabine), d’un ligand de ciblage de cellules cancéreuses (acide folique) et d’un fluorophore (fluorescéine) (Figure 1) (3).

Figure 1. Triple fonctionnalisation covalente des NTC.

Les NTC sont également considérés comme des vecteurs efficaces pour la délivrance de matériel génétique in vitro et in vivo. Dans ce contexte, nous avons fonctionnalisé les NTC avec une série de dendrons de première et seconde générations portant des charges positives à leurs extrémités pour la complexation de siARN (4). La démonstration de la capacité d’internalisation cellulaire, de la faible cytotoxicité et de la capacité des conjugués de NTC cationiques à inhiber des gènes cytotoxiques les suggèrent comme vecteurs prometteurs de matériel génétique.

De plus, nous avons étudié la fonctionnalisation des NTC avec des bases nucléiques pour différentes applications (5). Par exemple, nous avons fonctionnalisé les NTC avec de l’adénine via différents liens organiques (hydrophiles ou hydrophobes) et avons formé des nanoparticules d’argent de tailles contrôlées par coordination métal/adénine (6). Ces NT hybrides ont été utilisés comme catalyseurs hétérogènes pour l’oxydation de dérivés hydroquinones en benzoquinones, une classe importante de molécules ayant des activités antioxydantes, anti-inflammatoires et anticancéreuses. Les conjugués nucléobase-NTC pourraient également offrir des opportunités intéressantes en tant que nouveaux biocapteurs ou pour le tri de l’ADN par appariement de bases et/ou de liaisons H.

Nous avons également fonctionnalisé les NTC avec de multiples copies d’un antigène mimétique GM3-lactone (7). Le conjugué a pu interférer efficacement avec les événements liés aux métastases en termes d’adhésion, de migration et de caractère invasif, médiés par l’antigène mimétique. Les NTC fonctionnalisés permettent de garantir une disposition spatiale appropriée du mimétique favorisant une inhibition plus forte de la migration et du caractère invasif des cellules de mélanome humain par rapport à d’autres constructions multivalentes.

  1. Dinesh, B. et al. (2016) Nanoscale 8, 18596-18611.
  2. Ménard-Moyon, C. et al. (2011) Chem. Eur. J. 17, 3222-3227.
  3. Ménard-Moyon, C. et al. (2015) Chem. Eur. J. 21, 14886-14892.
  4. Battigelli, A. et al. (2013) Small 9, 3610-3619.
  5. a) Singh, P. et al. (2012). Carbon 50, 3170-3177. b) Singh, P. et al. (2012) Nanoscale 21, 1972-1974.
  6. Singh, P. et al. (2011) Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 50, 9893-9897. 7. Arosio P. et al. (2018) Org. Biomol. Chem. 16, 6086-6095.

2. Graphène et matériaux 2D materials

L’oxyde de graphène (GO) est un nanomatériau attrayant pour de nombreuses applications. Contrôler la fonctionnalisation du GO est essentiel pour la conception de conjugués à base de graphène dotés de nouvelles propriétés. En raison de la forte réactivité des groupements oxygénés, principalement des époxydes, hydroxyles et carboxyles, plusieurs réactions de dérivatisation peuvent se produire simultanément. La réactivité du GO avec des dérivés d’amine a été exploitée dans la littérature pour concevoir des conjugués à base de graphène, principalement par amidation. Nous avons démontré par RMN à l’état solide (technique de rotation à l’angle magique) que la réaction entre le GO et les fonctions amines se produit via l’ouverture des époxydes, et non par amidation (Figure 2) (1). Nous avons également prouvé qu’il existe une quantité négligeable d’acides carboxyliques dans deux échantillons de GO obtenus par un procédé de synthèse différent, excluant ainsi la possibilité de réactions d’amidation avec des dérivés d’amine.

Figure 2. Dérivatisation du GO via l’ouverture nucleophilique des époxydes par un dérivé aminé.

Le GO est constitué de diverses fonctionnalités contenant de l’oxygène, principalement des époxydes et des hydroxyles sur le plan, avec une très faible quantité de fonctions carbonyles, quinones, acides carboxyliques, phénols et lactones sur les bords. La haute réactivité chimique de ces groupements oxygénés rend la fonctionnalisation difficile à contrôler. Nous avons étudié la réactivité du GO vis-à-vis de réactions orthogonales afin de fonctionnaliser sélectivement les groupes hydroxyles. Nous avons exploré à la fois l’estérification et la réaction de Williamson (2). Nos stratégies présentent le principal avantage de se produire dans des conditions douces, préservant ainsi les propriétés intrinsèques du GO, alors que la plupart des réactions décrites dans la littérature nécessitent des conditions relativement rigoureuses conduisant à une réduction partielle du GO et/ou elles ne sont pas chimiosélectives. Nous avons également étendu notre étude aux cétones et étudié leur dérivatisation par la réaction de Wittig. Nos travaux permettent de mieux comprendre la réactivité du GO afin de pouvoir contrôler sa dérivatisation.

La double fonctionnalisation est un aspect clé dans la conception de conjugués à base de GO multifonctionnel avec des propriétés combinées d’imagerie, de ciblage et de thérapie. Dans ce contexte, nous avons étudié la combinaison de l’ouverture des époxydes par des nucléophiles avec la dérivatisation des groupements hydroxyles par estérification ou réaction de Williamson (Figure 3a) (3). La méthode la plus efficace est la combinaison de l’ouverture des époxydes et de l’estérification des hydroxyles. Les conditions sont sélectives et douces, préservant ainsi la structure du GO. La présence de fonctions amines permet une dérivatisation supplémentaire avec des molécules d’intérêt dans des conditions douces, par exemple, par amidation.

Dans une approche alternative, deux groupements fonctionnels ont été liés de manière covalente au GO en deux étapes: le premier groupe a été lié par une réaction d’ouverture des époxydes avec une molécule contenant un thiol et le second, portant une fonction amine, a été conjugué de manière covalente à la benzoquinone préalabement attachée au GO (Figure 3b). Cette méthode est simple et les conditions de réaction sont douces, permettant la préservation de la structure et des propriétés du GO.

Les différentes stratégies de double fonctionnalisation du GO ouvrent des perspectives prometteuses pour concevoir des nanomatériaux à base de graphène dotés de multiples propriétés.

Figure 3. Double fonctionnalisation du GO par combinaison de l’ouverture des époxydes avec a) la réaction de Williamson ou l’estérification des hydroxyles, et b) la dérivatisation des hydroxyles avec la benzoquinone suivie de la réaction de Michael avec une amine.

L’un des défis synthétiques les plus importants de la chimie du graphène qui reste à relever est de développer une approche simple pour la synthèse en masse de graphène fonctionnalisé avec plusieurs molécules, chacune dotée de fonctions spécifiques. Dans ce contexte, nous avons développé une stratégie de multifonctionnalisation du graphène en une seule étape avec trois dérivés différents de la 4-aminobenzylamine protégés par des groupements orthogonaux, conduisant à de hauts degrés de fonctionnalisation. Plus précisément, le graphène a été fonctionnalisé de manière covalente en utilisant des composés d’intercalation du graphite, en particulier KC8, en présence des trois dérivés de la 4-aminobenzylamine. Nous avons utilisé la spectroscopie Raman statistique (dépendante de la température), la spectroscopie photoélectronique aux rayons X, la RMN 13C en phase solide (rotation à l’angle magique) et l’analyse thermogravimétrique couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse pour démontrer sans ambiguïté la nature covalente de la fonctionnalisation et la nature chimique des différents liens moléculaires. Ces travaux peuvent servir de guide pour la conception de matériaux multifonctionnels 2D d’un grand intérêt pour la biomédecine, l’électronique, la détection ou le stockage et la conversion d’énergie. Un vaste effort de recherche interdisciplinaire est actuellement mené sur les applications biomédicales de matériaux 2D autres que le graphène, en raison de leurs propriétés physicochimiques uniques (6). Nous sommes intéressés à exploiter ces matériaux en tant que systèmes d’administration de médicaments, comme agents pour la thérapie photothermique et pour des thérapies multimodales, ainsi que pour du diagnostic non-invasif (Figure 4). Une limite cruciale de certains matériaux 2D est leur stabilité colloïdale modérée dans les milieux aqueux ou physiologiques. L’absence de stratégies de fonctionnalisation appropriées a encouragé l’exploration de nouvelles méthodologies chimiques sur ce front. Dans ce contexte, nous étudions diverses stratégies de modification chimique des matériaux 2D en tant qu’alternatives intéressantes au graphène.

Un vaste effort de recherche interdisciplinaire est actuellement mené sur les applications biomédicales de matériaux 2D autres que le graphène, en raison de leurs propriétés physicochimiques uniques (6). Nous sommes intéressés à exploiter ces matériaux en tant que systèmes d’administration de médicaments, comme agents pour la thérapie photothermique et pour des thérapies multimodales, ainsi que pour du diagnostic non-invasif (Figure 4). Une limite cruciale de certains matériaux 2D est leur stabilité colloïdale modérée dans les milieux aqueux ou physiologiques. L’absence de stratégies de fonctionnalisation appropriées a encouragé l’exploration de nouvelles méthodologies chimiques sur ce front. Dans ce contexte, nous étudions diverses stratégies de modification chimique des matériaux 2D en tant qu’alternatives intéressantes au graphène.

Figure 4. Applications biomédicales de différents types de matériaux 2D.
  1. Vacchi, I. A. et al. (2016) Nanoscale 8, 13714-13721.
  2. Vacchi, I. A. et al. (2018) 2D Mater. 5, 035037.
  3. Vacchi, I. A. et al. (2020) Chem. Eur. J. 26, 6591-6598.
  4. Guo S. et al. (2020) Angew. Chem. Int. Ed. 59, 1542-1547.
  5. Lucherelli M. et al. (2019) Chem. Eur. J. 25, 13218-13223.
  6. Kurapati, R. et al. (2016) Adv. Mater. 28, 6052-6074.

3. Nanodots de carbone

Les nanodots de carbone sont des nanomatériaux très prometteurs pour de futures applications cliniques car ils combinent de nombreuses caractéristiques, notamment une photostabilité élevée, une faible cytotoxicité et une biocompatibilité supérieure par rapport à d’autres nanomatériaux. Nous avons conçu et synthétisé des nanodots de carbone multifonctionnels avec des propriétés d’émission dans le rouge profond grâce à leur modification chimique contrôlée à l’aide de l’acide folique (Figure 5). Ces nanodots de carbone, dotés d’une stabilité colloïdale élevée et d’une luminescence améliorée, conviennent à la production intracellulaire ciblée d’espèces réactives de l’oxygène par irradiation laser conduisant à une mort de cellules cancéreuses efficace.

Figure 5. Nanodots de carbone multifonctionnels avec émission dans le rouge foncé par modification contrôlée par l’acide folique pour la production intracellulaire ciblée d’espèces réactives de l’oxygène par irradiation laser conduisant à une mort de cellules cancéreuses efficace.

Notre approche est radicalement nouvelle et d’application générale. Elle ouvre donc de nouvelles voies vers le développement d’une grande variété d’autres nanomatériaux de carbone multifonctionnels pour les photothérapies. En particulier, la synthèse ad hoc de nanomatériaux aux propriétés thérapeutiques intrinsèques offre de multiples opportunités de thérapies combinées en tirant pleinement parti de la combinaison de médicaments anticancéreux appropriés, de ligands de ciblage, de sondes fluorescentes et d’agents photothermiques.

  1. (1) Ji, DK. et al. (2020) Nanoscale Horizons 5, 1240.