1Monsieur l’Administrateur,
Mesdames et messieurs les professeurs,
Chers collègues,
Chers amis,

2Je suis très honoré de prononcer cette leçon inaugurale dans ce lieu prestigieux du savoir qu’est le Collège de France et je voudrais remercier le collège des professeurs, et en particulier Jacques Livage, de m’avoir élu à la chaire d’Innovation technologique – Liliane Bettencourt. Pour la première fois, la pharmacie galénique, cette science de la formulation des médicaments, est à l’honneur, et j’en suis particulièrement heureux parce que cette discipline a longtemps été considérée comme une discipline mineure de la pharmacie, plus technologique que scientifique, comme si la technologie ne constituait pas la clé de voûte de l’innovation. Qui eût cru, il y a une dizaine d’années encore, que la pharmacotechnie ferait l’objet d’un cours au Collège de France ? Que s’est-il passé depuis lors ? Les nanotechnologies ont fait leur apparition et le monde de l’infiniment petit a révolutionné la manière d’administrer les médicaments. Parce qu’elles sont à une échelle nanométrique (1 nm = 10^-9m), les nanotechnologies ne sont pas la simple miniaturisation d’objets plus grands, mais elles possèdent des propriétés que l’on ne retrouve qu’à cette échelle de taille. Le domaine du médicament n’échappe pas à cette règle. Jusqu’au début des années 1970, on considérait qu’il n’était pas possible d’administrer par voie intraveineuse des suspensions pharmaceutiques (dispersion de particules solides dans un liquide) en raison des risques évidents d’embolie. Aujourd’hui, la conception de suspensions nanoparticulaires chargées en médicaments (nanomédicaments) permet, au contraire, d’augmenter l’index thérapeutique de nombreux composés (amélioration de l’activité, réduction de la toxicité) en les adressant de manière sélective vers les tissus et cellules malades (vectorisation des médicaments). Le passage d’une taille de quelques dizaines de microns à quelques centaines, voire dizaines, de nanomètres a donc permis de réaliser un saut technologique et médical important.

3Cette leçon inaugurale a l’ambition de montrer que les concepts de la physico-chimie, le développement de nouveaux matériaux (synthèse de nouveaux polymères ou de nouveaux lipides, par exemple) et une meilleure connaissance des cibles biologiques permettent d’imaginer des systèmes submicroniques d’administration dotés de nombreuses fonctions et propriétés, bref de développer des nanotechnologies « intelligentes » qui peuvent, en effet, contribuer à diversifier notre arsenal thérapeutique dans le traitement des maladies sévères.

4Appliquées à la vectorisation des médicaments, ces nanotechnologies ont un diamètre intermédiaire entre celui des virus et celui des bactéries, et ressemblent donc aux particules naturelles. D’autre part, il est possible de construire des nanotechnologies « intelligentes », car nous disposons aujourd’hui d’une grande variété de matériaux et de biomatériaux qui peuvent être mis en œuvre suivant des procédés astucieux. Il est ainsi possible de préparer des nanovecteurs de morphologie très variée : liposomes (vésicules constituées d’une ou de plusieurs bicouches de phospholipides), nanoparticules à base de polymères pouvant donner lieu à des systèmes matriciels (nanosphères) ou réservoirs (nanocapsules), micelles formées de polymères amphiphiles, nanoparticules ultrafines d’oxyde de fer (USPIO), polymères en étoile (dendrimères), nanoémulsions, etc. (voir figure 1).

Figure 1. Architecture des nanotechnologies utilisées pour la vectorisation des médicaments.

5Tous ces nanovecteurs sont constitués de deux composants principaux : un « cœur » et une « couronne » qu’il est possible d’équiper de fonctionnalités adaptées à l’objectif thérapeutique (figure 2).

Figure 2. Représentation schématique des deux principaux éléments susceptibles de doter les nanovecteurs de fonctionnalités « intelligentes » : le cœur et la couronne.

Le « cœur » des nanomédicaments et les fonctionnalités d’encapsulation et de réponse à un stimulus externe

6Le « cœur » des nanovecteurs permet d’encapsuler des molécules biologiquement actives pour les rendre « invisibles » vis-à-vis des mécanismes de détoxification, comme par exemple ceux dont sont équipées les cellules cancéreuses (figure 2). En effet, les mécanismes de résistance développés par ces cellules peuvent se traduire par l’expression de protéines d’efflux (PgP, MRP, etc.) qui expulsent les médicaments à l’extérieur de la cellule. Cette résistance dite « multidrogue » (MDR) rend inopérants la plupart des traitements chimiothérapeutiques classiques. Nous avons eu l’idée d’essayer de contourner ce mécanisme de résistance en encapsulant la doxorubicine (un agent anticancéreux intercalant de l’ADN) dans des nanoparticules préparées à partir d’un polymère biodégradable, le polyalkylcyanoacrylate1. Sous cette forme, les protéines d’efflux ne peuvent plus reconnaitre la doxorubicine, et les cellules cancéreuses redeviennent ainsi sensibles à la chimiothérapie. Ce concept a été appliqué au traitement expérimental de l’hépatocarcinome résistant car ces nanoparticules, comme tous les colloïdes, sont reconnues par le foie (via les cellules de Kupffer) après administration intraveineuse. Cette technologie a permis la création de la société BIOALLIANCE et un essai multicentrique de phase II/III est actuellement en cours.

7Le « cœur » des nanotechnologies permet aussi l’encapsulation de molécules fragiles. « Biomimétiques » ou issues des biotechnologies, des macromolécules comme l’ADN, les siRNA ou les oligonucléotides antisens, les peptides et les protéines offrent des perspectives thérapeutiques importantes ; elles seront peut-être à la base des thérapeutiques de demain (thérapie génique non virale, inhibition d’oncogènes ou de gènes viraux, thérapeutiques ciblées à l’aide d’anticorps, etc.). Cependant, ces biomacromolécules sont souvent rapidement métabolisées dans l’organisme, et leur pénétration dans la cellule est généralement très limitée. L’association à des nanotechnologies peut leur conférer une protection efficace vis-à-vis des enzymes extracellulaires et améliorer, dans de nombreux cas, leur biodisponibilité intracellulaire. C’est ainsi qu’en collaboration avec l’équipe de Claude Malvy à l’Institut Gustave Roussy, nous nous sommes intéressés à deux maladies pédiatriques caractérisées par un oncogène de jonction : le sarcome d’Ewing et le carcinome papillaire de la thyroïde. Nous avons montré que l’utilisation de nanotechnologies permettait, en effet, d’accroitre les concentrations intracellulaires d’oligonucléotides antisens et de siRNAs orientés contre ces oncogènes. In vivo, l’injection intratumorale de siRNAs véhiculés par des nanocapsules polycyanoacryliques2 ou par des nanosphères polycyanoacryliques recouvertes de chitosan3 permet d’inhiber la croissance tumorale dans les cancers expérimentaux mentionnés ci-dessus. D’autres exemples peuvent illustrer cette stratégie, comme par exemple l’utilisation de la polyéthylèneimine (un polymère cationique) couplée à un peptide à localisation nucléaire pour la transfection de cellules et l’adressage de l’ADN au niveau du noyau cellulaire. L’administration de peptides (insuline, calcitonine) ou de protéines (vaccination) par des voies non invasives (comme la voie orale) constitue une autre approche intéressante, utilisant les nanotechnologies afin de rendre ces molécules « invisibles » vis-à-vis des enzymes de l’organisme.

8Il est aussi possible d’associer, au sein d’un même nanovecteur, deux ou plusieurs molécules agissant sur des cibles différentes mais complémentaires d’une même pathologie. C’est ce qui a été montré par une équipe du MIT qui a conçu un nanomédicament composé d’un agent antiangiogénique (la combrestatine) et d’un intercalant de l’ADN (la doxorubicine)4. Cette association permet d’agir à la fois sur l’endothélium vasculaire tumoral et sur les cellules cancéreuses elles-mêmes. La programmation de la libération de ces deux molécules dans le temps aboutit à un traitement beaucoup plus efficace que l’administration des deux anticancéreux sous la forme d’un simple mélange physique. En effet, la combrestatine, libérée en premier lieu, permet la perméabilisation de la barrière endothéliale tumorale, ouvrant ainsi la voie au passage facilité de la doxorubicine, libérée dans un deuxième temps. Celle-ci pourra alors agir plus efficacement sur les cellules tumorales.

9L’utilisation de matériaux « intelligents » et sensibles à un stimulus physique ou chimique permet de construire le « cœur » de nanomédicaments et de contrôler la libération du principe actif dans le temps et dans l’espace (figure 2). Ainsi, les polymères ou lipides pH-sensibles (comme le N-isopropylacrylamide, la polyhistidine ou la dioleylphosphatidylcholine) sont capables d’induire le relarguage du médicament dans des compartiments biologiques caractérisés par une chute de pH, comme les tumeurs au niveau tissulaire ou les endolysosomes au niveau cellulaire5. L’emploi de lipides ayant une transition de température un peu supérieure à la température du corps (40°C) permet, par ailleurs, la délivrance ciblée dans une zone de l’organisme soumise à une hyperthermie localisée. Il est aussi possible d’équiper le « cœur » des nanovecteurs avec des particules d’oxyde de fer, qui répondent à un champ magnétique extracorporel. C’est ce que nous avons réalisé récemment pour le guidage d’un anticancéreux (la gemcitabine) dans un modèle murin de tumeur transplantée6. Pratiquement, des nanoparticules magnétiques ultrafines (d’une taille de quelques nanomètres) ont été piégées dans une nanomatrice (d’une taille d’une centaine de nanomètres) constituée d’un lipide naturel (le squalène) couplé à la gemcitabine. Ces nanoconstructions sont injectées par voie intraveineuse pendant qu’un aimant est placé au niveau de la tumeur. L’inhibition de la croissance tumorale est spectaculaire et peut être suivie par imagerie en résonance magnétique nucléaire (RMN) grâce à la présence des particules d’oxyde de fer qui, au sein de la nanomatrice lipidique, induisent une diminution du signal T2. Le « cœur » de ce nanovecteur est donc équipé d’une double fonctionnalité : thérapeutique et diagnostique (« nanothéragnostique »). Ce concept encore très expérimental ouvre la voie de la médecine personnalisée.

La « couronne » des nanomédicaments et les fonctionnalités d’adressage et de vectorisation

10Lorsqu’ils sont administrés par voie intraveineuse, les nanovecteurs présentent à l’organisme des surfaces considérables (de l’ordre d’une centaine de m²/gr) sur lesquelles vont venir s’adsorber de nombreuses protéines plasmatiques (par interaction hydrophobe ou ionique). Parmi celles-ci, les opsonines (éléments du complément, fraction Fc des immunoglobulines, fibronectine, etc.) vont exercer une signature moléculaire, désignant les nanovecteurs comme étant des particules exogènes, exactement comme elles le feraient avec des bactéries ou des virus. Ce marquage immunologique va permettre la reconnaissance des nanomédicaments par les macrophages du système réticulo-endothélial, en particulier par les cellules de Kupffer du foie. Celles-ci sont, en effet, équipées de récepteurs capables de reconnaître les particules opsonisées et de les phagocyter rapidement et en grande quantité.

11Le tropisme hépatique de ces vecteurs dits de « première génération » a été mis à profit pour adresser des médicaments au niveau du foie et traiter ainsi de nombreuses pathologies hépatiques (métastases hépatiques, hépatocarcinome, leishmaniose viscérale, maladies de Pompe et de Gaucher, etc.). Dans le cas des cancers hépatiques, il s’agit toutefois d’un ciblage indirect puisque le médicament anticancéreux est livré d’abord aux cellules de Kupffer du foie, qui jouent ainsi le rôle de réservoir de médicament. Celui-ci peut alors diffuser dans l’ensemble du tissu et notamment vers les cellules néoplasiques.

12Si l’on veut atteindre d’autres territoires biologiques que le tissu hépatique, il sera, en revanche, nécessaire d’empêcher les phénomènes d’opsonisation afin de réduire la capture massive par le système réticulo-endothélial. Comment faire ? C’est le rôle de la « couronne » (figure 2) que l’on peut équiper de polymères hydrophiles et flexibles comme les polyéthylènes glycols (PEG, on parle alors de « PEGylation ») qui, par un effet de répulsion stérique, vont empêcher l’adsorption des protéines plasmatiques à la surface des nanovecteurs (figure 3A). Après administration intraveineuse, ces nanosystèmes « PEGylés » vont acquérir, au contraire des nanovecteurs non PEGylés, un temps de demi-vie plasmatique prolongé et leur capture hépatique sera réduite. Le caractère « furtif » (absence de reconnaissance par les macrophages du foie, de la rate et de la moelle osseuse) de ces vecteurs dits de « deuxième génération » sera d’autant plus prononcé que les nanotechnologies employées sont de faible taille (c’est-à-dire avec un rayon de courbure important). Il a, par ailleurs, été montré que la durée de la résidence vasculaire dépendait à la fois de la longueur des chaînes de PEG et de leur densité de surface.

13Ces vecteurs « furtifs », à rémanence vasculaire prolongée, sont alors capables de traverser l’endothélium vasculaire lorsqu’il est rendu plus perméable par la réaction inflammatoire associée à un foyer infectieux ou à la présence d’une tumeur (figure 3C). Cet effet de perméabilité et de rétention tissulaire (appelé effet « EPR » par les anglo-saxons pour Enhanced and Permeability Retention Effect) permet donc le ciblage de tumeurs localisées hors du territoire hépato-splénique. Certains l’appellent aussi « vectorisation passive » car elle résulte d’un effet mécanique et spontané de translocation à travers la paroi des vaisseaux du tissu cible. Ainsi, dès le début des années 1990, les équipes de Dimitri Papahajopoulos (Université de San Francisco, USA) et d’Alberto Gabizon (Hadassah Medical Center, Jérusalem) ont montré que des liposomes PEGylés, chargés en médicaments anticancéreux, avaient une efficacité remarquable dans le traitement de tumeurs expérimentales solides7. Cette découverte a abouti à la mise sur le marché du Doxil^R (liposomes de doxorubicine). Plus récemment, avec l’équipe de Gilles Vassal à l’Institut Gustave Roussy, nous avons montré que des nanoparticules PEGylées de polyalkylcyanoacrylate étaient capables d’atteindre sélectivement un gliome cérébral expérimental8. L’adressage de nanomédicaments par effet « EPR » au niveau de tissus sanctuaires est également possible dans d’autres pathologies, comme cela a été montré dans le cas de l’encéphalomyélite allergique expérimentale (EAE)9 et de l’uvéite auto-immune10.

Figure 3. L’effet de répulsion stérique

14Si les nanovecteurs « furtifs » permettent l’extravasation sélective au niveau tumoral, ils nécessitent néanmoins, dans certains cas, d’être équipés de ligands capables de reconnaitre des récepteurs spécifiques afin de pouvoir délivrer les médicaments qu’ils transportent à l’intérieur de la cellule cible. Il est nécessaire de choisir des cibles moléculaires qui, exprimées à la surface des cellules, soient susceptibles d’être endocytées par celles-ci après interaction avec le ligand. Il s’agit d’une fonctionnalité supplémentaire, qui pourra être attribuée à la « couronne » du nanovecteur ; les vecteurs ainsi fonctionnalisés sont également appelés vecteurs de « troisième génération » (figure 4). À titre d’exemple, citons la construction d’immunoliposomes contenant de la doxorubicine et recouverts d’anticorps anti-nucléosomes pour le ciblage de l’adénocarcinome mammaire humain¹¹, ou la décoration de nanoparticules de chitosan à l’aide de l’anticorps OX-26 capable de reconnaitre le récepteur de la transferrine au niveau des cellules endothéliales de la barrière hémato-encéphalique. Avec l’équipe de Turgay Dalkara (Hacettepe University, Turquie), nous avons montré qu’il était possible d’encapsuler dans ces vecteurs un peptide inhibiteur de la caspase-3 et de l’adresser au niveau cérébral afin de traiter efficacement l’ischémie cérébrale chez le rat12.

Figure 4. Représentation schématique d’un nanovecteur équipé d’un ligand (anticorps, protéine, petite molécule) capable de reconnaitre un récepteur exprimé à la surface de la cellule cible.

15La construction de tels nanovecteurs est délicate, car les chaines de polyéthylèneglycol, nécessaires à l’évitement de la capture hépatique, peuvent, par encombrement stérique, empêcher les anticorps de reconnaître l’antigène correspondant. Inversement, une trop forte densité d’anticorps en surface des nanovecteurs peut recréer un environnement hydrophobe, à nouveau favorable à l’opsonisation et à l’activation du complément. C’est dans ce contexte que le concept astucieux de « double vectorisation » a été imaginé par le groupe de Vladimir Torchilin (Nothern University, Boston). Ces vecteurs sont (i) recouverts de polyéthylèneglycol via une liaison hydrolysable à pH acide et (ii) fonctionnalisés à l’aide de ligands internalisables par la cellule (i.e. peptide tat, acide folique ou transferrine). Dans le compartiment sanguin, la fonction d’internalisation cellulaire est masquée par les chaînes de polyéthylèneglycol, qui réalisent la vectorisation passive du composé anticancéreux vers le tissu tumoral via l’effet EPR. Lorsque la cible est atteinte, l’hydrolyse de la liaison a pour effet, en libérant le polyéthylèneglycol, de démasquer la fonction de pénétration cellulaire¹³.

La nécessité de développer de nouvelles technologies

16En dépit de ces progrès considérables et du nombre important de publications dans le domaine des nanomédicaments, force est de constater qu’il n’y a pas de plate-forme universelle pour la vectorisation des médicaments. Au contraire, d'importants verrous technologiques demeurent, parmi lesquels il convient de citer :

1. le faible pouvoir d'encapsulation des systèmes nanoparticulaires, qui ne dépasse généralement pas 5% (exprimé en % du poids de principe actif par rapport au poids du matériau vecteur) ;

2. la libération rapide du médicament encapsulé (burst release), correspondant au relarguage, en quelques minutes, de la fraction de médicament simplement adsorbée à la surface du nanovecteur ;

3. la difficulté d'obtenir des matériaux synthétiques peu toxiques, biodégradables, n'induisant pas de thésaurismoses cellulaires ou tissulaires, et non immunogènes.

17Tout ceci explique le nombre encore faible de nanomédicaments ayant abouti à une mise sur le marché. Il est donc nécessaire de proposer de nouvelles idées et de nouveaux concepts susceptibles de permettre l'émergence de technologies de rupture dans le domaine du drug delivery. Cela passe par l'introduction de nouveaux (bio)matériaux biocompatibles, biodégradables et plus efficaces.

18C’est dans ce contexte que nous avons eu l’idée de tirer profit de la conformation moléculaire compacte du squalène pour obtenir des sytèmes nanoparticulaires en couplant cette molécule à des analogues nucléosidiques à activité anticancéreuse ou antivirale14. Les nanomédicaments squalénés ainsi obtenus se sont révélés beaucoup plus efficaces que les molécules mères. En effet, ces nanosystèmes (i) peuvent être administrés par voie intraveineuse ou orale, (ii) favorisent la pénétration intracellulaire des analogues nucléosidiques, (iii) facilitent leur passage transmembranaire et (iv) les protègent de la dégradation/ métabolisation.

19Le concept de squalénisation a d’abord été appliqué à la gemcitabine, un anticancéreux majeur qui, comme la cytidine, s'incorpore dans le métabolisme des bases pyrimidiques et perturbe, par divers mécanismes, la synthèse de l’ADN. La quantité de gemcitabine véhiculée par ces nano-objets est de 41% (p/p), soit un pouvoir de charge 5 fois supérieur au meilleur résultat de la littérature avec les liposomes. Observées en cryomicroscopie électronique (cryo-TEM), ces nanoparticules présentent une forme hexagonale multifacettée (figure 5). Chaque particule est entourée d’une coque externe d’une épaisseur d’environ 3,3 nm, le cœur des particules étant constitué d’une structure interne formée de plans réticulés (ou colonnes) parallèles. Une étude en diffraction RX (SAXS) couplée à de la modélisation moléculaire (figure 5) a permis d’identifier l’organisation supramoléculaire de ces nano-assemblages, qui forment des phases hexagonales inverses, représentées par des colonnes à cœur hydrophile, la partie gemcitabine (hydrophile) étant orientée vers le centre de la colonne et la partie squalène (hydrophobe) vers l’extérieur. La distance entre deux colonnes a été évaluée, par diffraction des rayons X, à 8,77 nm15.

20Ce nanomédicament à base de gemcitabine-squalène a donné lieu à des résultats spectaculaires in vitro sur des lignées de cellules cancéreuses humaines (MCF-7 et KB). In vivo, les nanoparticules de gemcitabine-squalène se sont avérées beaucoup plus efficaces que la gemcitabine sur des tumeurs solides greffées par voie sous-cutanée (panc-1, L1210 et P388) ainsi que sur des modèles murins de leucémies agressives métastatiques (leucémies L1210,wt, P388 et RNK-16LGL)16: après administration intraveineuse ou orale, seules les nanoparticules de gemcitabine-squalène permettent d'obtenir des survivants à long terme. Ce nanomédicament est aussi beaucoup plus efficace que la gemcitabine sur des tumeurs résistantes.

21Des études complémentaires menées in vitro et in vivo ont permis d'expliquer la meilleure activité anticancéreuse des nanoparticules squalénées17 par (i) un ciblage du foie, de la rate et des poumons, qui sont les principaux sites métastatiques, (ii) une pénétration intracellulaire accrue, (iii) une activation sélective de la prodrogue par la cathepsine B, enzyme qui est présente en grande quantité dans les cellules cancéreuses, et (iv) une meilleure phosphorylation de la gemcitabine quand elle est délivrée aux cellules sous forme de nanoparticules squalénées.

22Le concept de squalénisation a également été appliqué à d’autres analogues nucléosidiques à activité antivirale, comme le ddC et le ddI. Nous avons montré que, quel que soit le mode de liaison au squalène (sur le sucre ou sur l’hétérocycle), ces molécules s’auto-organisent également dans l’eau sous forme de nanoparticules de 100-200 nm.

Figure 5. La gemcitabine squalène

Conclusions

23Grâce au développement des nanotechnologies, le magic bullet ou « missile magique » imaginé par le savant et immunologiste Paul Ehrlich est devenu réalité.

24Des nanosystèmes d’administration, de transport et de vectorisation des médicaments ont, en effet, pu être conçus grâce à aux recherches menées à l’interface de la physique, de la chimie et de la biologie. La chimie des polymères et des lipides ainsi que la chimie de conjugaison ont permis le développement de nouveaux (bio)matériaux biocompatibles et fonctionnalisés, la physico-chimie a contribué à découvrir de nouvelles architectures supramoléculaires organisées, la pharmacotechnie et la biopharmacie ont apporté la maîtrise des procédés d’encapsulation ainsi que les concepts pharmacocinétiques et de biodistribution, tandis que la biologie cellulaire et moléculaire a contribué, quant à elle, à identifier ou à mieux connaître les cibles biologiques et à proposer ainsi de nouvelles pistes pour la conception de nanovecteurs plus spécifiques.

25Cette leçon inaugurale a fait le point sur les principales avancées réalisées pour la vectorisation de molécules biologiquement actives après administration intravasculaire. Des travaux similaires ont, cependant, aussi été réalisés pour la vectorisation de principes actifs par d’autres voies. Des nanosystèmes ont aussi été utilisés pour l’administration par voie orale d’antigènes en vue du ciblage des plaques de Peyer, afin d’induire une immunité muqueuse de type IgA. Ces approches sont susceptibles d’aboutir à de nouveaux vaccins, plus efficaces et plus aisés à administrer. L’utilisation de vecteurs galéniques pour la thérapie génique constitue un autre domaine d’investigation passionnant, qui n’a pas été abordé dans le cadre de cette leçon. Ces vecteurs non-viraux constituent, cependant, une alternative prometteuse à l’utilisation des virus pour la transfection des acides nucléiques. Des stratégies biomimétiques permettront peut-être, à l’avenir, d’aboutir à des vecteurs aussi efficaces que les virus, sans en avoir les inconvénients (immunogénicité, réveil d’oncogènes, etc.).

26Quoi qu’il en soit, les avancées réalisées dans le domaine de l’utilisation des nanotechnologies pour la conception de nouveaux médicaments ont déjà dépassé le stade de la curiosité du laboratoire de recherche, puisque des nanomédicaments sont aujourd’hui à la disposition des patients pour le traitement de cancers, de certaines maladies infectieuses, ou pour le diagnostic, tandis que d’autres sont au stade d’études cliniques de phase I, II ou III. Ces développements sont très rapides, sans doute en raison de la flexibilité des matériaux et des procédés utilisés, qui peuvent être adaptés aux exigences des pathologies auxquelles ils sont destinés.