Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Abstract

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Cancer is considered as the leading cause of premature death in Canada. Taxanes (e.g. paclitaxel and docetaxel (DCTX)) are effective against a range of solid tumors including breast, lung, and ovarian malignancies. In addition, nucleic acids (e.g. antisense oligonucleotides (AON) and short interfering RNA (siRNA)) which are capable of selectively suppressing oncogenes involved in carcinogenesis are currently being investigated for the treatment of a wide variety of cancers. Although the activity of taxanes and nucleic acid drugs is well-established in human and/or animal models, several physicochemical and clinical issues still need to be addressed. Low aqueous solubility (i.e. taxanes), rapid degradation in the blood (i.e. nucleic acids), fast clearance, non-selectivity and toxicity to normal tissues are limiting factors to their effectiveness. Hence, many efforts have been focused on developing targeted polymeric delivery systems to overcome the problems associated with the current therapies. In this thesis, two types of polymeric micelles have been developed for the delivery of DCTX and nucleic acids. On the one hand, poly(ethylene oxide)-block-poly(butylene oxide/styrene oxide) micelles were tested for the first time to solubilize and protect DCTX from hydrolytic degradation. The polymers showed less toxicity than the surfactant used commercially to dissolve DCTX (i.e. polysorbate 80) and released the drug in a sustained fashion. On the other hand, two different systems of polyion complex micelles (PICM) were developed for the sustained release and intracellular delivery of nucleic acids. Novel poly(ethylene glycol) (PEG)-oligonucleotide conjugates were assessed to protect AON against degradation and release them in a sustained manner. When these conjugates were mixed with poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimers, monodisperse PICM were formed. These PICM further slowed down AON release and significantly protected it against enzymatic degradation. In addition, the incorporation of poly(ethylene oxide)-block-poly(propyl methacrylate-co-methacrylic acid) was exploited to impart pH-sensitivity to PAMAM-based PICM. This system was composed of the previous copolymer mixed with PAMAM dendrimer. Such PICM were loaded with AON or siRNA targeting the Bcl-2 oncogene. Micelles uptake by the cancer cells was mediated by a monoclonal antibody fragment (i.e. Fab') positioned at the extremity of the PEG corona. Upon cellular uptake and protonation of the methacrylic acid units in the acidic endosomal environment, the micelles lost their corona, thereby exposing their positively-charged endosomolytic PAMAM/nucleic acid core. The targeted, pH-sensitive PICM were found to increase the intracellular bioavailability of the entrapped nucleic acids and knock down the Bcl-2 oncoprotein more than either non-targeted micelles or commercial PAMAM dendrimers. The polymeric nanocarriers reported in this thesis appear to be promising vehicles for the delivery of anticancer drugs and nucleic acids.