WO2011135101A2 - Nanoparticules ultrafines a matrice polyorganosiloxane fonctionnalisee et incluant des complexes metalliques; leur procede d'obtention et leurs applications en imagerie medicale et/ou therapie - Google Patents

Nanoparticules ultrafines a matrice polyorganosiloxane fonctionnalisee et incluant des complexes metalliques; leur procede d'obtention et leurs applications en imagerie medicale et/ou therapie Download PDF

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Maxime Saint Jean
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Pascal Perriat
Stéphane Roux
Anna Mignot
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Universite Lyon 1 Claude Bernard
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y5/00—Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
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    • Y10T428/2982—Particulate matter [e.g., sphere, flake, etc.]

Definitions

  • the invention relates to novel biocompatible hybrid nanoparticles of very small size, useful especially for diagnosis and / or therapy.
  • the invention also relates to their process of obtaining and their applications.
  • these may include probes for biological labeling with magnetic, fluorescent or radioactive properties, contrast agents for magnetic resonance imaging MRI, for SPECT (Single Photon) scintigraphy imaging.
  • Emission Computed Tomography for PET (Positron Emission Tomography) imaging for fluorescence imaging, for optical imaging, for X-ray imaging or for multimodal imaging.
  • the uses envisaged are those of radio-sensitizing or radioactive agents for radiotherapy (eg brachytherapy), for neuron-therapy, agents for PDT (photodynamic therapy), agents for vectorization of molecules with effect therapeutic or cell labeling agents.
  • the nanoparticles concerned may be targeting agents for therapeutic or diagnostic sites in vivo.
  • Prerequisites for nanoparticles applied to diagnosis and / or therapy include:
  • MRI is one of the most used techniques for medical diagnosis, it combines the advantages of being non-invasive, fast and safe for the patient. It is based on the observation of the proton relaxation of water which is directly dependent on the magnetic fields (the important magnetic field B 0 and radio-frequency fields), the pulse sequence, the water environment in the body ... The interpretation of images gives access to the identification of most tissues.
  • the contrast can be increased by two types of agents: positive contrast agents Ti and negative T 2 .
  • Ti contrast agents that is to say in Ti, which allow a lightening of the image because the contact of water with the agent of contrast reduces the longitudinal relaxation time: T ⁇ .
  • Ti contrast agents used clinically include: Gd (III) DTPA or Gd (III) DOTA.
  • the T 2 contrast agents are those which make it possible to reduce the transverse relaxation time.
  • the encapsulated superparamagnetic iron oxide nanoparticles are examples of T 2 agents used clinically.
  • Tl contrast agents are preferable to T 2 contrast agents because of the positive contrast they provide.
  • the non-specificity, the low contrast they cause, their rapid renal excretion and their field-dependent properties further limit their application.
  • a local concentration of gadolinium ions that is often low makes it difficult to detect medical abnormalities smaller than a few centimeters in size. It would therefore be desirable to be able to implement specific site targeting in vivo using gadolinium-loaded elements.
  • nano-objects have several advantages: higher local Gd concentration and greater gadolinium relaxivity (ri) due to the greater mass and rigidity of the nanoparticles.
  • contrast enhancement it is also sought to limit the concentration of contrast agents in the human body.
  • a multimodal approach is undertaken for these particles.
  • This approach consists in implementing a set of nanoparticles comprising several molecular contrast agents. It allows to combine not only different imaging techniques, but also different therapy techniques by bringing together several active agents in therapy in the same set of nanoparticles. Active imaging agents and active agents in therapy may be the same or different from each other. This approach seems to be particularly suitable for the development of drugs in theranostics. We can add other imaging functions (luminescence, scintigraphy ...), therapeutic functions (release of active ingredients, radio-sensitization, curie-therapy ...) as well as biological targeting functions for a concentration. therapeutic agents in the area of interest.
  • FR-2867180-B1 describes hybrid nanoparticles probes for biological labeling (fluorescence-luminescence-radioactivity), for the detection (recognition) or monitoring of specific substances, called targets.
  • Such probes are particularly used for flow cytometry, histology, immunological tests or fluorescence microscopy, both for the study of biological materials and non-biological materials.
  • the nanoparticles according to FR-2867180-B1 have a heart / shell structure (core / shelT) whose core is composed of at least 90% by weight, of Gd 2 0 3, that is to say of an oxide of rare earth optionally doped with a rare earth or an actinide, and whose shell is a coating consisting mainly of polysiloxane obtained by hydrolysis / condensation sol / gel of aminopropyltriethoxysilane (APTES) and tetraethoxysilane (TEOS) in the presence of triethylamine.
  • the diameter of this core / shell structure is, for example, 8.5; 11.5 or 9.2 nm.
  • the polyorganosiloxane shell (POS) may be functionalized, that is to say grafted with a marker dye (fluorescein) or a biological ligand such as a nucleic acid.
  • FR-2922106-A1 describes the use of radio-sensitizing hybrid nanoparticles, with a high concentration of lanthanide oxides, as radio-sensitizers which act in combination with the radiation to induce a more effective response and to increase the therapeutic efficacy.
  • These nanoparticles have a core / shell structure whose core (diameter eg 1.5 nm) is composed of Gd 2 0 3 (optionally combined in a 50/50 mixture with holmium oxide), and whose shell is a shell.
  • This type of nanoparticle core / shell functionalized has for example a total diameter of 1 1.7 nm.
  • FR-2930890-A1 discloses novel targeted radiotherapy or brachytherapy agents (radionuclides) consisting of nanoparticles with a high concentration of radioactive rare earth oxide or oxohydroxide.
  • These nanoparticles are, for example, nanoparticles consisting of a holmium oxide core coated with functionalized polysiloxane.
  • the core is obtained by dissolving salts of holmium chloride in diethylene glycol.
  • the size of this core is about 1.5 nm.
  • the functionalized polysiloxane layer with a thickness of 0.5 nm is synthesized sol-gel, mainly from APTES and TEOS.
  • the particles thus coated are then functionalized either with PEG250 or with diethylenetriaminepentaacetic acid dianhydride (DTPABA).
  • DTPABA diethylenetriaminepentaacetic acid dianhydride
  • the suspension thus prepared is lyophilized.
  • the hydrodynamic sizes are for the heart: 1, 5 nm; after coating: 3.1 nm and after functionalization with DTPABA: 3.6 nm; after lyophilization: 4.0 nm.
  • the nanoparticles according to these three documents FR-2867180-B1, FR-2922106-A1 and FR-2930890-A1 have particular interest, their polysiloxane shell which improves their biocompatibility. Their small size is also an asset in terms of renal elimination (clearance) and in vivo biodistribution.
  • the element that is active as an MRI contrast agent in these nanoparticles namely for example the gadolinium present in the center of the lanthanide oxide core, is considerably less accessible by water than that at the surface or that which would be complexed by DTPA or DOTA within or on the surface of the polysiloxane layer.
  • hybrid nanoparticles useful as multimodal contrast agents in imaging including MRI comprise an inorganic polymer matrix based on silica (or organic: polyacrylate-polylactide) and a plurality of coordination complexes each comprising a functionalized chelating group (DTTA-DTPA-DOTA), a metal ion paramagnetic (lanthanide / actinide: Gd-Mn), a phosphor (fluorescein).
  • the functionalization radical is for example an aminopropyl- (trimethoxysilyl).
  • the silica nanoparticles thus obtained have a diameter of the order of 40 nm. These nanoparticles do not have a core / shell structure and therefore, a priori, do not have the associated disadvantages. However, their size of several tens of nanometers is a serious handicap in terms of elimination in vivo.
  • the prior art does not disclose nanoparticles combining a very small size, for example less than 20 nm, and a high level of contrast medium, e.g. T1 for MRI (gadolinium).
  • T1 for MRI gadolinium
  • the very small size of the nanoparticles is essential to obtain in vivo good renal elimination and adapted biodistribution.
  • the high charge rate in magnetic complexes combined with the size and rigidity of the object makes it possible to obtain a significant ⁇ per object and per gadolinium atom (greater than that of the free ion and even more so of molecular compounds). which is required to have in imaging (eg MRI) a strong enhancement and a correct response to high frequencies.
  • imaging eg MRI
  • the present invention aims to satisfy at least one of the following objectives:
  • metals eg rare earths
  • imaging eg MRI
  • a strong enhancement linked for example to a high relaxivity ri
  • a correct response increased relaxivity
  • (x) to propose novel nanoparticles based on silicic polymer, metals (eg rare earths) and chelants, which are useful in particular as contrast agents in imaging (eg MRI) and / or in other diagnostic techniques and / or as agents of therapy, and whose toxicity related to the metals (eg rare earths) it contains is reduced;
  • metals eg rare earths
  • chelants which are useful in particular as contrast agents in imaging (eg MRI) and / or in other diagnostic techniques and / or as agents of therapy, and whose toxicity related to the metals (eg rare earths) it contains is reduced;
  • a chelating functionalising graft C 1 which is:
  • the graft C 1 being preferably in excess with respect to the cations M n + and D m + ; the chelator C1 from which the graft C 1 is derived corresponding to one or more different species;
  • a luminescent compound e.g., fluorescein
  • the invention provides a process for obtaining the nanoparticles according to at least one of the preceding claims, characterized in that it comprises the following steps:
  • this synthesis consisting essentially of mixing a base (preferably a strong base such as NaOH) with a salt of M dissolved in a solvent preferably selected from the group comprising alcohols (advantageously DEG);
  • a base preferably a strong base such as NaOH
  • a salt of M dissolved in a solvent preferably selected from the group comprising alcohols (advantageously DEG);
  • step (a) Coating of the cores of step (a) with polyorganosiloxane (POS) consisting essentially of implementing a sol / gel hydrolysis-condensation technique of silicic species and alkoxysilanes, in the presence of a base or an acid and optionally an active ingredient PA1 and / or PA2;
  • POS polyorganosiloxane
  • step (b) Coating supercoating of the cores coated with step (b) consisting essentially in bringing these coated cores of step (b) in the presence of a precursor of functionalising grafts C 1 (preferably derived from a chelating agent C1 selected from the products defined below), and optionally in the presence of a functionalising graft Gf * (preferably a hydrophilic compound and / or a compound comprising an active ingredient PA1 and / or a biological targeting compound and / or a luminescent compound chosen from the products defined below);
  • a precursor of functionalising grafts C 1 preferably derived from a chelating agent C1 selected from the products defined below
  • a functionalising graft Gf * preferably a hydrophilic compound and / or a compound comprising an active ingredient PA1 and / or a biological targeting compound and / or a luminescent compound chosen from the products defined below
  • step (c) Dissolution of the M cores of the super-coated / functionalized nanoparticles of step (c) consisting essentially in bringing them into the presence of a pH-modifying agent and / or a chelating agent C2 capable of complexing all or part of the M n + cations and D m + , so that the diameter of the nanoparticles is reduced to a d 1 between 1 and 20 nm, preferably between 1 and 10 nm; this chelating agent C2 being chosen from the chelating products defined below;
  • steps (c), (d), (e), (f) can be performed in a different order or at the same time. In the case where the entire heart was dissolved during step (c), step (e) becomes optional.
  • the invention provides a suspension of nanoparticles and the dry extract of such a suspension.
  • the invention provides an injectable liquid comprising these nanoparticles.
  • the invention aims at:
  • a diagnostic aid composition preferably a contrast composition
  • nanoparticles according to the invention and / or obtained by the process according to the invention and / or the suspension according to the invention and / or prepared from the solid material according to the invention.
  • o APTES means (3-aminopropyl) triethoxysilane.
  • o BAPTA denotes 1, 2-bis-2-aminophenoxyethane-N, N, N ', N'-tetraacetic acid.
  • o DEG denotes diethylene glycol.
  • DOTA denotes 1, 4,7, 10-tetraazacyclododecane-1, 4,7,10-tetraacetic acid.
  • o DOTA-NHS denotes 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid
  • o DTPA denotes diethylenetriaminepentaacetic acid.
  • o DTPABA refers to diethylenetriaminepentaacetic acid dianhydride.
  • o DTTA denotes diethylenetriamine tetraacetic acid.
  • o EDTA refers to ethylenediamine tetraacetic acid.
  • EGTA denotes ethylene glycol acid bis (2-aminoethylether) -N, N, N ', N'-tetraacetic acid
  • o MRI refers to "Magnetic Resonance Imaging”.
  • o NOTE refers to 1,4,7-triazacyclononane-N, N ', N "-triacetic acid.
  • o PDT means "photodynamic therapy"
  • o PET means "Positron Emission Tomography” or PET scintigraphy.
  • o PEG refers to polyethylene glycol
  • o POS denotes the polyorganosiloxane
  • o PPG is polypropylene glycol
  • o SPECT designates: "Single Photon Emission Computed Tomography" or SPECT scintigraphy
  • o TEOS refers to tetraethoxysilane.
  • o TEM refers to transmission electron microscopy.
  • o XPS means: "X-ray photoelectron spectroscopy”.
  • a “hydrophilic” compound denotes a compound having a high affinity for water, for “strong” is meant for example a compound that can dissolve or disperse homogeneously in water at room temperature to more than 100 grams per liter of solution.
  • alkyl denotes a saturated hydrocarbon chain, linear or branched, optionally substituted (eg by one or more alkyls), preferably from 1 to 10 carbon atoms, for example from 1 to 8 carbon atoms, more preferably from 1 to to 7 carbon atoms.
  • alkyl groups include methyl, ethyl, isopropyl, n-propyl, tert-butyl, isobutyl, n-butyl, n-pentyl, isoamyl and 1,1-dimethylpropyl.
  • the alkyl part of the alkoxy group is as defined above,
  • Cycloalkyl denotes a mono- or polycyclic saturated hydrocarbon group, preferably mono- or bicyclic, preferably having from 3 to 10 carbon atoms, more preferably from 3 to 8.
  • saturated polycyclic hydrocarbon group denotes a group having two or more cyclic rings attached to each other by ⁇ or / and fused two by two.
  • polycyclic cycloalkyl groups examples include adamantane and norbornane.
  • monocyclic cycloalkyl groups are cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl and cyclooctyl.
  • "oryl” denotes an aromatic hydrocarbon group having from 6 to 18 carbon atoms, monocyclic or polycyclic and preferably monocyclic or bicyclic. It should be understood that, in the context of the invention, the term "polycyclic aromatic group” means a group having two or more aromatic rings, fused (ortho-condensed or ortho and pencondensed) to each other, that is to say to say, two by two, at least two carbons in common.
  • aromatic hydrocarbon group (“aryl”) is optionally substituted for example by one or more C1-C3 alkyls, one or more halogenated hydrocarbon groups (eg CF3), one or more alkoxy (eg CH30) or one or more hydrocarbon groups comprising one or more ketone units (eg CH3CO-).
  • aryl is optionally substituted for example by one or more C1-C3 alkyls, one or more halogenated hydrocarbon groups (eg CF3), one or more alkoxy (eg CH30) or one or more hydrocarbon groups comprising one or more ketone units (eg CH3CO-).
  • aryl mention may be made of phenyl, naphthyl, anthryl and phenanthryl radicals.
  • These groups may be optionally halogenated, or may be chosen from cyanoalkyl radicals.
  • Halogens are, for example, fluorine, chlorine, bromine and iodine, preferably chlorine or fluorine.
  • arylalkyl denotes an alkyl group as defined above, substituted with one or more aryl groups on its hydrocarbon chain, the aryl group being as defined above. Examples are benzyl and triphenylmethyl.
  • alkenyl denotes a linear or branched, unsubstituted or unsaturated, unsaturated hydrocarbon chain having at least one olefinic double bond, and more preferably a single double bond.
  • the "alkenyl” group has 2 to 8 carbon atoms, more preferably 2 to 6. This hydrocarbon chain optionally comprises at least one heteroatom such as O, N, S.
  • Preferred examples of alkenyl groups are the groups vinyl, allyl and homoallyl.
  • alkynyl denotes according to the invention, a linear or branched unsaturated hydrocarbon-based chain, substituted or unsubstituted, having at least one acetylenic triple bond, and more preferably a single triple bond.
  • the alkynyl group has from 2 to 8 carbon atoms, more preferably from 2 to 6 carbon atoms.
  • acetylenyl group and the propargyl group optionally comprises at least one heteroatom such as O, N, S.
  • the nanoparticles according to the invention can be defined by their matrix structure of POS including a chelating functionalization C 1 resulting from a chelating Cl and leading to the formation of complexes [M n + ] / [C '] or [D m + ] / [ C '], and, according to an optional but nonetheless preferred modality, functionalization grafts Gf * for example from:
  • nanoparticles according to the invention can also be defined by their method of production.
  • the nanoparticles thus defined constitute in themselves another object of the invention and are characterized in that the POS matrix of each nanoparticle is obtained from a nanoparticle of diameter, comprising:
  • a core based on an oxide and / or a metal oxohydroxide (M), preferably rare earth, at least partly in cationic form M n + (n 2 to 6), optionally doped with a dopant (D), preferably a rare earth different from M, an actinide and / or a transition element;
  • M metal oxohydroxide
  • D dopant
  • At least one coating layer based on POS at least one coating layer based on POS
  • a functionalization agent preferably chosen from functionalizing chelators C1 capable of sequestering cations and / or targeting compounds and / or compounds comprising an active ingredient PA1 and / or the compounds hydrophilic and / or luminescent compounds;
  • said nanoparticle being subjected to a dissolution of the core M, preferably with the aid of a pH-modifying agent and / or a chelating agent C2, identical to or different from Cl, capable of complexing all or part of the M n + cations and D m + , so that the diameter d 0 of the nanoparticle is reduced to a value d] of between 1 and 20 nm, preferably between 1 and 10 nm.
  • nanoparticles therefore have the peculiarity of being "heartless”, or more precisely of no longer presenting a heart. They do not include a crystallized heart. More specifically, they do not include a heart encapsulated by at least one coating.
  • Figure 1 is a TEM (microscope x600,000 magnification) image of precursor particles nanoparticles according to the invention. These precursor particles are formed by metal oxide cores M (gadolinium oxide), coated with polysiloxane, and functionalized with a C 1 complexing agent (eg anhydrous DOTA). The sizes observed are between 3 and 5 nm.
  • FIG. 2 is a TEM image after dissolution of the cores, taken under the same conditions as the image of FIG. 1. No particle is observed which comprises a core, whereas the local chemical analysis indicates the presence of gadolinium in the observed area.
  • ultrafine particles An essential characteristic of these ultrafine particles comes from their very small size, of the order of a few nanometers. At these very small sizes (less than or equal to, in increasing order preferably 20; 18; 15; 12; 10; 8; 5; 3 nanometers), the particles exhibit a quasi-molecular behavior, allowing:
  • nanoparticles are also characterized by their molar mass (in kDa) greater than or equal to, in increasing order of preference, 2, 3, 5, and less than or equal to, in an increasing order of preference, 200, 100, 50, 20, 10.
  • POS nanoparticles comprise a high density of C 1 -linked (or non-C 2) chelating grafts covalently to the POS backbone.
  • the chelating agents C 1 and / or C 2 are present in the nanoparticles in an amount such that all or some of the ions, in particular the M n + or even D m + cations, are not free but are complexed. More preferably, the mass percentage of elements M and D involved in MOM or MOD or DOD or MO-Si or DO-Si bonds, relative to the total number of elements M and D, less than or equal to, in ascending order. preferably 10; 5; 2, 1; 0.5; 10 " '; 10 "2 ; 10 "3 .
  • the number of chelating agents C 1 and / or C 2 in the nanoparticles is greater than the number of remaining cations M 11 + and / or D m + , or even other cations (eg Ca 1, Mg + ) optionally added to pus of the M n + and / or of D m + .
  • This percentage of M-O-M or M-O-D or D-O-D or M-O-Si or D-O-Si bonds can be measured by the known EXAFS, XPS, vibrational spectroscopy, transmission electron microscopy techniques coupled with structural analyzes, etc.
  • This measurement makes it possible to evaluate the number of specific bonds of the heart, this measurement allows a quantitative measurement of the presence or not of the heart, it also makes it possible to evaluate the species M or D which could easily dissolve and be in ionic form in solution.
  • Cl chelants can be grafted onto the surface of the polysiloxane particles or directly inserted into the POS matrix. Some or all of these chelants are intended to complex M n + (eg gadolinium) or even D m + cations. Another part of these chelants can be used for the complexation of endogenous cations to ensure good compatibility with the biological media encountered.
  • At least 1% and preferably at least 10% of the C 1 chelating agents are not complexed with M n + cations or even D m +
  • M and / or D can be an active agent in imaging (eg a contrast agent) and / or in therapy.
  • M / M n eg gadolinium
  • D / D m have remarkable properties for biological applications in imaging and / or therapy, such as for example magnetic properties, fluorescent, radioactive (high atomic number element) or radiosensitizers (X, gamma, beta, neutron).
  • nanoparticles can therefore be used as a contrast agent in imaging systems such as: MRI, SPECT scintigraphy, PET scans, fluorescence imaging, X-ray scanners.
  • these nanoparticles can be modified (functionalization) at the surface by hydrophilic compounds (PEG) and / or charged differently to adapt their bio-distribution within the body and / or to allow good cell labeling, especially for monitoring cell therapies.
  • PEG hydrophilic compounds
  • these nanoparticles can be functionalized on the surface by biological targeting compounds, to preferentially access certain areas of interest of the body, in particular the tumor areas.
  • the agent carried by these nanoparticles is concentrated in the zone of interest without having to increase very significantly the injected quantities as is currently the case.
  • the functionalization can also be done by compounds comprising an active ingredient PA1 and / or luminescent compounds (fluorescein)
  • the result is the potential for therapeutic uses as a radiosensitizing agent in combination with radiotherapies, neutron therapies, as a radioactive agent for brachytherapy treatments, as an agent for PDT (photodynamic therapy) or as a vector for the delivery of molecules with a therapeutic effect.
  • ultrafine particles An essential characteristic of these ultrafine particles comes from their very small size, of the order of a few nanometers. At these very small sizes (less than or equal to, in increasing order preferably 20; 18; 15; 12; 10; 8; 5; 3 nanometers), the particles exhibit a quasi-molecular behavior, allowing:
  • nanoparticles are also characterized by their molar mass (in kDa) greater than or equal to, in increasing order of preference, 2, 3, 5, and less than or equal to, in a growing order of preference, 200, 100, 50, 20, 10.
  • This rigidity is also an asset for the vectorization and accessibility of the targeting molecules.
  • ⁇ C 1 are functionalization grafts formed by monovalent hydrocarbon radicals, identical or different from each other, chelating and each connected to Si by an Si-C bond;
  • R are monovalent radicals, identical to or different from each other, constituting a functionalization graft connected to Si by an Si-C bond, and preferably comprising a hydrophilic group and at least one N or O atom;
  • ⁇ Gf * are functionalization grafts other than C 1 and formed by monovalent hydrocarbon radicals, which are identical or different from each other, each connected to Si by an Si-C bond and which may be derived from:
  • ⁇ a greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.8; with preferably a> d + e;
  • ⁇ c greater than or equal to 0.5 and less than 1.9;
  • ⁇ g greater than or equal to 0 and less than 0.3;
  • Monovalent hydrocarbon radicals are e.g. alkyls, cycloalkyls, aryls, arylalkyls, alkenyls or alkynyls.
  • the atomic ratio [(M / Si) * 100] is another representative parameter of the nanoparticles according to the invention.
  • these nanoparticles are characterized by an atomic% ratio [(M / Si) ⁇ 100] of between 10 and 60, preferably between 25 and 40.
  • 1 to 80%, and preferably 20 to 60%, silicas of the POS matrix of the nanoparticles are bonded, by silane bond Si-C, to at least one chelating Cl.
  • the silicas of the POS matrix of the nanoparticles are bonded, by silane bond Si-C, to at least one chelating functionalization group C 1 , and / or to at least one other functionalising graft Gf * bound to the POS matrix by covalent bond -Si-C-, Gf * that can be issued:
  • each of the nanoparticles comprises at least one outer layer comprising a chelating functionalising graft C 1 grafted onto the surface of the POS matrix; it is expected that between 1 and 80%, ideally 20 and 60% of the silicon atoms, are linked by Si-C bonds to the chelating functionalising graft C 1 .
  • these nanoparticles can be developed to present a multimodality of properties, that is to say that they are multimodal, in particular because of the different cations M n + , or even D m + , which they comprise, which are complexed by C 1 , and which are useful as imaging contrast agent (s) and / or as therapeutic agent (s).
  • the same nanoparticles have:
  • a contrast agent behavior for at least two of the detection techniques for example MRI and scintigraphy or MRI and fluorescence
  • At least one contrast agent behavior and at least one therapeutic agent behavior are combined.
  • the nanoparticles according to the invention have a relaxivity ⁇ by ion M n + is greater than 5 mM " (ion M n + ) .s " "preferentially 10 mM " '(of ion M n + ) .s " 'for a frequency of 20 MHz.
  • these nanoparticles have a relaxivity ri by M n + ion at 60 MHz which is greater than or equal to the relaxivity by M n + ion at 20 MHz.
  • the relaxivity considered here is a relaxivity by M n + ion (for example gadolinium).
  • M and D are selected from the following groups of elements: lanthanides, transition elements, actinides, elements of columns Ib, Ha, IIIa, IIIb, Va, VIb, VIIb, VIII of the periodic table according to "The Merck Index - Eleventh Edition ";
  • o Ib Cu, Ag, Au;
  • o lia Ca, Mg;
  • Eu, Tb, Nd, Yb, Er are well suited for nanoparticles useful as fluorescers.
  • Lu are well suited e.g. for nanoparticles useful as brachytherapy agent.
  • Lu, Yb, Gd, Ho are suitable eg for nanoparticles useful as a radio-sensitizing agent.
  • LQQ.QI i? .Q .Q. fictitious elements put all the elements in M and. dopants. D
  • the Mn + and / or Dm + cations are located on the surface of the nanoparticles.
  • the chelating Cl, C2 is chosen from the following products:
  • chelating agents examples include those comprising a DTPA, DOTA, DTDTPA (dithiolated DTPA) unit or a succinic acid unit.
  • M is a lanthanide, Cl, C2 is advantageously selected from those which have complexing properties of lanthanides, in particular those whose complexation constant log (Kci) is greater than 15, preferably 20. (eg DTPA or DOTA) .
  • the hydrophilic compounds from which the functionalization grafts are derived are chosen from the group of polyols, preferably from the subgroup comprising glycols, sugars and their mixtures; dextrans, PEG and PPG being particularly preferred.
  • these hydrophilic compounds may be chosen from those which have molar masses of less than 2,000 g / mol, preferably less than 800 g / mol.
  • Examples of hydrophilic compounds with their preferred molar mass (Mw) are given below:
  • Sugars in particular glucose and its derivatives, for example dextrans; Amino acids or hydrophilic peptides (aspartic acid, glutamic acid, lysine, cysteine, serine, threonine, glycine ...);
  • the hydrophilic compounds advantageously comprise functional groups of alcohols or carboxylic acids or amines or amides or esters or ether-oxides or sulfonates or phosphonates or phosphinates and will be linked, preferably covalently, to at least 10% of the silicon atoms of the POS of the matrix.
  • the chelant C 1, C 2 can be a hydrophilic compound and vice versa.
  • the nanoparticles carry an active ingredient PA2, via labile chemical bonds, preferably chosen from the group of labile chemical bonds comprising: amide, -SS-, or a bond capable of to be lysed by a specific enzyme.
  • the active ingredient PA1 or PA2 (eg included in a functionalising graft or complexed with C 1) is selected from the group of therapeutic molecules, magnetic compounds, radioactive compounds or capable of become after activation.
  • the choice of the biological target is made among the following families of biovectors, used in imaging and / or therapy, preferably in the group of species able to recognize and specifically pair with areas of biological interest and thus allowing a targeting said areas. It can be e.g.de: proteins, glycoproteins, lipoproteins, polypeptides, peptides (e.g. RGD), peptidomimetics, dyes, sugars, oligosaccharides, neuromediators, quaternary amines, aptamers, antibodies and combinations thereof.
  • the luminescent compounds are selected from the group of organic or inorganic fluorophores
  • hydrophilic compound o active ingredient PA1 or PA2;
  • the invention also relates to a process for obtaining nanoparticles, in particular of the type of those defined above.
  • This method is characterized in that it comprises the steps (a), (b), (c), (d), (e) ((f): optional) defined above; steps (c), (d), (e), (f) can be performed in a different order or at the same time.
  • Step (a) consists more precisely in practice of forming a nanoparticle of the core / shell type with a lanthanide oxide core (modified polyol) and a polysiloxane shell (by sol / gel), this object has for example a size around 10 nm (preferably 5 nanometers).
  • a lanthanide oxide core of very small size can thus be prepared in an alcohol by one of the methods described in the following publications (Perriat P. et al., J. Coll Int. 2004, 273, 191, O. Tillement et al., J. Am Chem Soc 2007, 129, 5076 and P. Perriat et al., J. Phys Chem C, 2009, 113, 4038).
  • these cores can be coated with a polysiloxane layer by following for example a protocol described in the following publications (Louis C. et al., Chem Mat, 2005, 17, 1673 and O. Tillement et al., J. Am Chem Soc, 2007, 129, 5076).
  • step (c) specific chelants of the target metal cations are grafted onto the surface of the polysiloxane; some can also be inserted inside the layer, but the control of the formation of the polysiloxane is complex and the simple external grafting gives, at these very small sizes, a sufficient proportion of grafting.
  • the purification step (d) consists more precisely in separating the nanoparticles from the synthesis residues by a tangential dialysis or filtration method, on a membrane comprising pores of suitable size.
  • the core is destroyed by dissolution (for example by modifying the pH or by bringing complexing molecules into the solution).
  • This destruction of the core then makes it possible to scatter the polysiloxane layer (according to a mechanism of collapse or slow corrosion), which makes it possible finally to obtain a polysiloxane object of complex morphology, the characteristic dimensions of which are of the order of magnitude of the thickness of the polysiloxane layer, that is to say much smaller than the objects so far developed.
  • the number of M for a nanoparticle size is evaluable thanks to the atomic ratio M / Si measured by EDX.
  • the subject of the invention is also:
  • An injectable liquid comprising nanoparticles as defined above and / or obtained by the process described above, and / or suspension of these nanoparticles and / or prepared from the solid material referred to above.
  • the invention also relates to the applications of these nanoparticles, including in particular:
  • a diagnostic aid composition preferably a contrast composition, characterized in that it comprises nanoparticles as defined above and / or obtained by the process described supra and or the suspension referred to above and / or prepared from the solid material defined above.
  • a therapeutic composition characterized in that it comprises nanoparticles as defined above and / or obtained by the process described above and / or suspension referred to above and / or prepared from the solid material defined above.
  • a therapeutic composition comprising nanoparticles as defined above and / or obtained by the method described supra and / or suspension referred to above and / or prepared from the solid material defined above, for the treatment of cancers or neurodegenerative diseases, in particular for the targeting of sites to be treated.
  • a cell-labeling composition characterized in that it comprises nanoparticles as defined above and / or obtained by the process described above and / or of the suspension referred to above and / or prepared from the solid material defined above. above.
  • the measurement of the size of the nanoparticles in colloidal suspension is carried out by photon correlation spectroscopy (PC S) on a Zetasizer Nano-S from Malvern. Particle size can also be measured by transmission electron microscopy (TEM) on a JEOL 2010 microscope with an acceleration voltage of 200 kV. A drop of diluted colloidal solution is placed on a carbon grid for analysis.
  • PC S photon correlation spectroscopy
  • TEM transmission electron microscopy
  • the centrifugation of the solutions is carried out using a Beckman Coulter Allegra 25R centrifuge, at a speed of 4100 rpm.
  • the tangential filtration of the solutions is carried out through a membrane of 5kDa, in tubes of Vivaspin 20mL of Sartorius Stedim Biotech, until a dilution of the impurities greater than 1000.
  • the tubes of Vivaspin are centrifuged at 4100 rpm as well.
  • the lyophilization of the particles is carried out under dynamic vacuum at 0.15 mbar and -2 ° C. in a CHRIST Alpha 1-2 lyophilizer.
  • X-ray diffraction (EDX) chemical analyzes are carried out on a Philips XL20 scanning electron microscope. For each sample, a drop of aqueous solution is deposited on a carbon support. After drying, the surface is metallized with a gold layer 10 nm thick. For the chemical analysis, three measurements are averaged over three zones of approximately 50 ⁇ ⁇ 50 ⁇ . The percentages of each element are obtained in atomic percentages. The signal of the particles in relaxometry is measured using a Bruker Minispec MQ60 NMR analyzer, with a magnetic field of 1, 4T.
  • Example 1 Synthesis of gadolinium oxide core A solution is prepared by dissolving an amount of 11 g / L of gadolinium chloride salt (GdCl 3 , 6H 2 O) in a volume of 375 mL of diethylene glycol (DEG). To the solution obtained, an addition of 375 ml of a 0.1 mol / l sodium hydroxide solution in DEG is carried out at room temperature in 15 hours.
  • GdCl 3 , 6H 2 O gadolinium chloride salt
  • DEG diethylene glycol
  • FIG. 3 shows the size distribution of the gadolinium oxide cores, measured in the DEG by PCS; average: 3.6 nm.
  • Example 2 Fonetization of gadolinium oxide cores with DTPABA
  • a layer of functionalized polysiloxane is synthesized by sol-gel.
  • the 750 ml core solution is heated to 40 ° C. in an oil bath, with stirring.
  • 787 ⁇ . of APTES, 502 of TEOS and 1913 ⁇ l of an aqueous solution of methylamine of 0.1 mol / L are added to the solution of cores.
  • the solution is then left for 48 hours at 40 ° C. with stirring.
  • Heart-shell particles having a size of about 5 nm are obtained with surface amine functions.
  • FIG. 4 shows the size distribution of the coated polysiloxane cores, measured in the DEG by PCS; average: 4.9 nm.
  • DTPABA dimethyl sulfoxide
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • gadolinium oxide core solution is added to the DTPABA solution. The mixture is stirred for 24 hours.
  • the nanoparticles are then precipitated by centrifugation in four drums of 500 ml of acetone. Then the acetone is removed, and the particles are redispersed in 100 mL of water in total. They are then purified by tangential filtration. The large impurities are removed by filtration using a syringe, through a membrane of 0.2 ⁇ .
  • FIG. 5 shows the size distribution of the functionalized polysiloxane coated cores DTPABA, measured in water by PCS; average: 5.6 nm.
  • FIG. 6 shows the follow-up of the synthesis in granulometry: in dotted line
  • FIG. 7 shows the TEM image of the functionalized particles DTPABA; the sizes observed are between 4 and 6 nm.
  • the aqueous solution of nanoparticles can be stored for several months in the refrigerator after lyophilization, in hermetically sealed pill containers.
  • FIG. 8 shows the size distribution of the reduced particles with hydrochloric acid, measured in water by PCS; average: 3.4 nm.
  • the relaxometry particle signal ri 1 / Ti decreased by 27%. An important chemical attack was observed with forced dissolution by acid attack. The strong decrease of relaxometry confirms it.
  • Example 4 Dissolution of the core of functionalized gadolinium oxide particles DTPABA using free DTPA
  • Example 2 To the particles of Example 2, dispersed in water, free DTPA is added in large excess. The pH of the solution is adjusted to 7. It is allowed to stir overnight.
  • the solution is purified by tangential filtration, to remove Gd 3+ ions that have been dissolved from the core of the particles, and complexed with free DTPA. Particles having a size of about 4 nm are obtained.
  • FIG. 9 shows the size distribution of the decreased particles with the addition of DTPA, measured in water by PCS; average: 4.3 nm.
  • the signal of the particles in relaxometry has decreased by 71% compared to the particles of Example 2.
  • a loss of complexed Gd 3+ on surface-grafted DTPA is also probable, which explains the greater decrease in the signal in relaxometry compared to Example 3.
  • the solution is purified by tangential filtration to remove Gd 3+ ions that have not been complexed by DTPA. Particles having a size of about 3.5 nm are obtained.
  • FIG. 10 shows the size distribution of the decreased particles with addition of DTPA, then with addition of Gd3 +, measured in water by PCS; average: 3.7 nm.
  • Particles are synthesized according to the protocol described in Example 2, however varying the amount of DTPABA added for functionalization. This quantity varies from a DTPABA / APTES ratio of 0.5 to 3. The number of APTES is chosen as a parameter because it represents the number of potentially reactive functions on the surface of the particles.
  • FIG. 23 shows the variation of the size (on the left) and the relaxometry signal (on the right), with the number of DTPABA added for functionalization.
  • the relaxometry signal is measured in aqueous solution diluted by 10.
  • the nanoparticles retain a large size.
  • the size of the particles seen in PCS decreases because the heart of the particles dissolves.
  • the core of the particles is completely destroyed, and the particle size stagnates at about 2 nm.
  • the relaxometric signal of the particles decreases proportionally with size, which reflects the proportional decrease in the amount of gadolinium present in the hearts.
  • Example 6 Functionalization of gadolinium oxide cores with DOTA-NHS and purification
  • a layer of functionalized polysiloxane is synthesized by sol-gel.
  • the 750 ml core solution is heated to 40 ° C. in an oil bath, with stirring.
  • 787 of APTES coupled to 0.75 mg fluorescein isothiocyanate (FITC), 502 ⁇ . of TEOS and 1913 of an aqueous solution of triethylamine at 0.1 mol / L are added to the solution of cores.
  • FITC fluorescein isothiocyanate
  • TEOS fluorescein isothiocyanate
  • 1913 an aqueous solution of triethylamine at 0.1 mol / L
  • Heart-shell particles having a size of about 5 nm are obtained with surface amine functions.
  • FIG. 12 shows the size distribution of the coated polysiloxane cores, measured in the DEG by PCS; average: 4.7 nm.
  • DOTA-NHS 1.12 g of DOTA-NHS are dispersed in 20 ml of anhydrous ethanol. Then 100 mL of the gadolinium oxide core solution is added to the DOTA-NHS solution. The mixture is stirred for 24 hours.
  • FIG. 13 shows the size distribution of DOTA-NHS functionalised polysiloxane coated cores, measured in water by PCS; average: 6.8 nm.
  • FIG. 14 shows the follow-up of the previous synthesis in particle size: in full-line (-) the size distribution of the single cores; dotted line (-) the size distribution of the polysiloxane coated cores; in thick solid line (-) the size distribution of DOTA-NHS polysiloxane and functionalized coated cores.
  • EXAMPLE 7 Dissolution of the core of DOTA-NHS functionalized gadolinium oxide particles using free DTPA To the particles of Example 6, dispersed in water, free DTPA is added in large excess. The pH of the solution is adjusted to 7. It is allowed to stir overnight.
  • FIG. 15 shows the size distribution of the decreased particles with addition of DTPA, measured in water by PCS; average: 3.7 nm.
  • the signal of the particles in relaxometry r1 decreased by 84%, which indicates a sharp decrease in the amount of gadolinium present in the particles.
  • FIG. 16 shows the size reduction experiment: in thick solid line (-) the size distribution of the initial particles; in fine line (-) the particle size distribution decreased with free DTPA.
  • a layer of functionalized polysiloxane is synthesized by sol-gel.
  • the 750 ml core solution is heated to 40 ° C. in an oil bath, with stirring.
  • 787 of APTES coupled to 0.75 mg of FITC, 502 of TEOS and 1913 of an aqueous solution of triethylamine at 0.1 mol / L are added to the solution of cores.
  • These additions are repeated a second time after 24 hours of waiting, and a third time after 48 hours of waiting.
  • the solution is then left for 48 hours at 40 ° C. with stirring.
  • Heart-shell particles having a size of approximately 4.5 nm are obtained with surface amine functions.
  • FIG. 17 shows the size distribution of the polysiloxane coated cores, measured in the DEG by PCS; average: 4.7 nm. Particle size is also measured by TEM.
  • FIG. 18 shows the TEM image of the polysiloxane coated cores, dispersed using the grafting of polyethylene glycol; the observed sizes are between 4 and 5 nm.
  • 0.619 g of anhydrous DOTA is dispersed in 20 mL of DMSO.
  • 100 mL of the gadolinium oxide core solution is added to the anhydrous DOTA solution. The mixture is stirred for 24 hours.
  • Example 8 The nanoparticles of Example 8 are precipitated in 500 ml of acetone. Then the acetone is removed, and the particles are redispersed in 20 mL of water. They are then purified by tangential filtration. The large impurities are removed by filtration using a syringe, through a membrane of 0.2 ⁇ . Particles having a size of about 6.5 nm are obtained.
  • Figure 19 appended shows the size distribution of polysiloxane coated cores, functionalized DOTA anhydrous, measured in water by PCS; average: 6.3 nm.
  • FIG. 1 shows the TEM image of the polysiloxane coated functionalized DOTA anhydrous cores; the sizes observed are between 3 and 5 nm. DOTA molecules are not visible at TEM, we only see coated hearts.
  • FIG. 20 shows the follow-up of the synthesis in particle size: in thick solid line (-) the size distribution of the single cores; in solid line (-) the size distribution of coated polysiloxane cores; in dotted line (-) the size distribution of the polysiloxane and functionalized coated DOTA anhydrous cores.
  • the nanoparticle solution can be stored for several months in the refrigerator after lyophilization.
  • Example 10 Dissolution of the core of DOTA anhydrous functionalized gadolinium oxide particles using free DTPA
  • a solution of DTPA in water is prepared, then the pH of the solution is reduced to 6.
  • DTPA solution is added in large excess. . We let shake one night.
  • FIG. 21 shows the size distribution of the decreased particles with addition of DTPA, measured in water by PCS; average: 3.6 nm.
  • FIG. 2 shows the TEM image of the particles whose size has been decreased. The image was taken under the same conditions as the previous ones. In addition, the local chemical analysis indicates the presence of Gadolinium in a significant amount at the observed location, but no particle is visible. The particles therefore no longer have a crystallized heart at this stage.
  • FIG. 22 shows the size reduction experiment: in thick solid line (-) the size distribution of the initial particles; in fine line (-) the particle size distribution decreased with free DTPA.
  • the signal of the particles in relaxometry r1 decreased by 71%. This reflects a sharp decrease in the amount of gadolinium present in the particles.
  • Nanoparticles are synthesized according to the protocol described in Example 8, but the surface functionalization is done with a large excess of anhydrous DOTA (2 DOTA / Gd). Thus all the Gd atoms are directly complexed by DOTA molecules, and there remains a significant part of uncomplexed DOTA.
  • the solution is placed in a dialysis membrane of 4-6kDa, and is purified by dialysis in a volume of permuted water ten times larger.
  • the dialysis bath is renewed twice, after 24h and 48h. Dialysis is stopped after 72h.
  • FIG. 24 shows the size distribution of the anhydrous DOTA functionalized particles, measured in water by PCS; average: 2.7 nm.
  • the nanoparticle solution can be stored for several months in the refrigerator after lyophilization.
  • Gadolinium chloride is dissolved in water, and the pH of the solution is reduced to 6.
  • the Gd 3+ ions thus obtained are added to the particles of Example 1 1, in excess.
  • the solution is allowed to stir for 24 hours.
  • the solution is purified by tangential filtration to remove Gd 3+ ions which would not have been bound to the DOTA molecules.
  • the relaxometric signal rl of the particles increased by 66%.
  • the chemical analysis carried out by EDX on these particles gives a gadolinium / silicon atomic ratio of 47.5%, an increase of 62% relative to the particles of Example 1 1.
  • the europium chloride is dissolved in water, and the pH of the solution is reduced to 6.
  • the Eu 3+ ions thus obtained are added to the particles of Example 1 1, in excess.
  • the solution is allowed to stir for 24 hours.
  • the solution is purified by tangential filtration to remove the Eu 3+ ions which would not be bound to the DOTA molecules.
  • the total rare earth / silicon ratio obtained is 48.9%, which is consistent with the rare earth / silicon ratio of the particles of Example 12, which is 47.5%. This gives an estimate of the total number of DOTA at the surface of the particles.
  • a time-resolved fluorescence measurement shows that the Eu 3+ ions are mainly in the complexed state in the solution.
  • the attached figure shows this fluorescence spectrum.
  • the device used for time resolved fluorescence is a device manufactured by AXINT, for the specific needs of the laboratory.
  • Nanoparticles are synthesized according to the protocol described in Example 8, but the surface functionalization is done with a large excess of anhydrous DOTA (2 DOTA / Gd). Thus all the Gd atoms are directly consumed by the DOTA complexes.
  • FIG. 31 shows the size distribution of the anhydrous DOTA functionalized particles, measured in water by PCS; average: 2.8 nm.
  • the nanoparticle solution can be stored for several months in the refrigerator after lyophilization.
  • Human T2 lymphocytes (ATCC No. CRL-1992 TM) were incubated in Hank's Balanced Sense Solution (HBSS) for 1h with the nanoparticles of Example 15 (NP15), with gadolinium concentrations of 0.2; 0.5 and ImM. After incubation, the cells were washed twice in HBSS.
  • HBSS Hank's Balanced Sense Solution
  • the viability was assessed by counting grid Malassez after adding Trypan blue (dilution l / 20 NLSC). For the three gadolinium concentrations present in the incubation medium, cell viability was good because greater than 90%. In this concentration range, the nanoparticles of Example 15 were not toxic.
  • FIG. 29 shows the level of viability of T2 cells for each incubation condition.
  • the labeling with the nanoparticles of Example 15 was therefore better than with the Gd-DOTA complexes.
  • the signal increase was 15% with 50,000 cells / mm 3 .
  • the attached figure shows the labeling efficiency of the particles of Example 15 in comparison with the Gd-DOTA complexes, and as a function of the gadolinium concentration.
  • the relaxivity of the particles of Example 15 was measured in relaxometry, the actual amounts of gadolinium being measured by ICP, on a Varian 710-ES apparatus.
  • a relaxivity ri (of the gadolinium species) 1 1.4 s " mM " (gadolinium) "1 " s "1 at 50 MHz is obtained, ie approximately three times higher than that of the Gd-DOTA complex alone. (reduced to the gadolinium species), which is 3.8 s " mM " (gadolinium) "1. s " 1 at 50 MHz.
  • Nanoparticles are synthesized according to the protocol described in Example 8, but the surface functionalization is done with a quantity of DOTA equal to 0.6 DOTA / Gd.
  • FIG. 32 shows the size distribution of the anhydrous DOTA functionalized particles, measured in water by PCS; average: 3.5 nm.
  • the nanoparticle solution can be stored for several months in the refrigerator after lyophilization.
  • a solution is prepared by dissolving an amount of 2.25 g of lutetium chloride salt (LuCl 3 , 6H 2 O) in a volume of 245 mL of DEG. To the solution obtained, an addition of 245 ml of a 0.08 mol / L sodium hydroxide solution in DEG is carried out at ambient temperature over 10 h.
  • lutetium chloride salt LiCl 3 , 6H 2 O
  • the final size of the nanoparticles is about 5 nm.
  • the appended FIG. 26 shows the size distribution of the lutetium oxide cores, measured in the DEG by PCS; average: 5.0 nm.
  • the 490 mL of lutetium core solution of Example 18 are diluted by two with 490 mL of DEG.
  • a layer of functionalized polysiloxane is synthesized by sol-gel.
  • the core solution is heated to 40 ° C in an oil bath, with stirring.
  • 81 1 of APTES, 516 ⁇ l of TEOS and 1965 ⁇ l of an aqueous solution of triethylamine at 0.1 mol / l are added to the solution of cores.
  • the solution is then left for 48 hours at 40 ° C. with stirring.
  • FIG. 27 shows the size distribution of polysiloxane-coated lutetium oxide cores; average: 8.3 nm.
  • DTPABA is dispersed in 2 mL of DMSO. Then 12 mL of the core solution is added to the DTPABA solution. The mixture is stirred for 24 hours.
  • the nanoparticles are then precipitated in 100 mL of acetone. Then the acetone is removed, and the particles are redispersed in 20 mL of water. They are then purified by tangential filtration. Particles having a size of about 2.5 nm are obtained.
  • DTPABA in large excess compared to lutetium (4 DTPABA / Lu), dissolved the heart of the particles in part, hence their small size.
  • FIG. 28 shows the size distribution of the functionalized DTPA particles; average: 2.4 nm.
  • the nanoparticle solution can be stored for several months in the refrigerator after lyophilization.
  • Example 20 Complexation of lutetium oxide particles with Gd ions
  • Gadolinium chloride is dissolved in water, and the pH of the solution is reduced to 6.
  • the Gd 3+ ions thus obtained are added to the lutetium particles of Example 19, in excess.
  • the solution is allowed to stir 24h.
  • the solution was purified by tangential filtration to remove Gd 3+ ions that would not have bound to the DTPABA molecules.

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Abstract

L'invention concerne de nouvelles nanoparticules hybrides biocompatibles de très faible taille, utiles notamment pour le diagnostic et/ou la thérapie. Le but de l'invention est de proposer de nouvelles nanoparticules qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, qui soient plus performantes que les nanoparticules de même type connues et qui combinent à la fois une petite taille (par exemple inférieure à 20 nm) et un fort taux de charge en métaux (e.g. terres rares), en particulier pour avoir en imagerie (e.g. IRM) un fort rehaussement et une réponse correcte (relaxivité accrue) aux hautes fréquences. Ainsi, les nanoparticules selon l'invention, de diamètre d1 entre 1 et 20 nm, comprennent chacune une matrice polyorganosiloxane (POS) incluant des cations gadolinium éventuellement associé à des cations dopants; un greffon C1 chélatant DTPABA (dianydride d'acide diéthylènetriaminepentaacétique) lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C-, et présent en quantité suffisante pour pouvoir complexer tous les cations gadolinium; et éventuellement un autre greffon de fonctionnalisation Gf* lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C- (Gf* pouvant être issu d'un composé hydrophile (PEG); d'un composé comportant un principe actif PA1;d'un composé ciblant; d'un composé luminescent (fluorescéine). Le procédé d'obtention de ces nanoparticules et leurs applications en imagerie et en thérapie font également partie de l'invention.

Description

NANOPARTICULES ULTRAFINES A MATRICE POLYORGANOSILOXANE FONCTIONNALISEE ET INCLUANT DES COMPLEXES METALLIQUES ; LEUR PROCEDE D'OBTENTION ET LEURS APPLICATIONS EN IMAGERIE
MEDICALE ET/OU THERAPIE
Domaine technique
L'invention concerne de nouvelles nanoparticules hybrides biocompatibles de très faible taille, utiles notamment pour le diagnostic et/ou la thérapie.
L'invention vise également leur procédé d'obtention et leurs applications.
Dans le domaine du diagnostic, il peut s'agir de sondes pour le marquage biologique dotées de propriétés magnétiques, fluorescentes ou radioactives, d'agents de contraste pour l'imagerie par résonnance magnétique IRM, pour l'imagerie par scintigraphie SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), pour l'imagerie par scintigraphie PET (Positron Emission Tomography) pour l'imagerie par fluorescence, pour l'imagerie optique, pour l'imagerie par scanner X ou pour l'imagerie multimodale.
Dans le domaine thérapeutique, les utilisations envisagées sont celles d'agents radio- sensibilisants ou radioactifs pour la radiothérapie (e.g. curiethérapie), pour la neutronthérapie, d'agents pour la PDT (photodynamic therapy), d'agents de vectorisation de molécules à effet thérapeutique ou d'agents de marquage cellulaire.
Dans les deux domaines susvisés, les nanoparticules concernées peuvent être des agents de ciblage de sites thérapeutiques ou diagnostiques in vivo.
Arrière-plan technologique
Les prérequis pour des nanoparticules appliquées au diagnostic et/ou à la thérapie, sont, entre autres :
- une forte concentration d'agents actifs (pour la détection d'un signal en tant qu'agent de contraste pour le diagnostique et/ou pour l'action thérapeutique), - une bonne rigidité moléculaire appréciable pour une bonne vectorisation et/ou en imagerie IRM,
- une très bonne stabilité colloïdale en milieu biologique,
- une excellente biocompatibilité,
- une accessibilité (c'est-à-dire une facilité d'accès à la zone d'intérêt) et une efficacité toujours meilleure pour le ciblage thérapeutique, en particulier vis-à-vis des tumeurs,
- une bonne élimination rénale in vivo, - une biodistribution in vivo favorable et adaptée (pas de rétention des nanoparticules par les organes ou rétention préférentielle dans les organes ciblées).
L'IRM est l'une des techniques parmi les plus utilisées pour le diagnostic médical, elle combine les avantages d'être non-invasive, rapide et sans danger pour le patient. Elle repose sur l'observation de la relaxation des protons de l'eau qui est directement dépendante des champs magnétiques (le champ magnétique important B0 et des champs radio-fréquence), de la séquence d'impulsion, de environnement de l'eau dans l'organisme... L'interprétation des images donne alors accès à l'identification de la plupart des tissus. Le contraste peut être augmenté par deux types d'agents : les agents de contraste positifs Ti et négatifs T2.
Dans le cadre de l'invention, on s'intéresse en particulier à ces agents de contraste positifs c'est-à-dire en Ti, qui permettent un éclaircissement de l'image car le contact de l'eau avec l'agent de contraste permet de réduire le temps de relaxation longitudinal : T\. Comme exemples d'agents de contraste Ti utilisés en clinique, on peut citer : Gd(IIl)DTPA ou Gd(III)DOTA.
Les agents de contraste en T2 sont ceux qui permettent de réduire le temps de relaxation transversal. Les nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques encapsulées sont des exemples d'agents T2 utilisés en clinique.
Les agents de contraste en Tj sont préférables aux agents de contraste en T2, en raison du contraste positif qu'ils procurent. Malheureusement, la non-spécificité, le faible contraste qu'ils entraînent, leur rapide excrétion rénale et leurs propriétés dépendantes du champ restreignent encore leur application. De plus, une concentration locale en ions gadolinium souvent faible rend délicate la détection d'anomalies médicales d'une taille inférieure à quelques centimètres. Il serait donc souhaitable de pouvoir mettre en œuvre un ciblage spécifique de sites in vivo, à l'aide d'éléments chargés en gadolinium. A ce titre, les nano- objets présentent plusieurs avantages : concentration locale en Gd plus élevée et relaxivité (ri) par gadolinium plus importante en raison de la masse et de la rigidité plus conséquentes des nanoparticules.
Au-delà de l'amélioration du contraste, on cherche également à limiter la concentration en agents de contraste dans le corps humain.
Tous ces aspects tempèrent l'utilité des composés moléculaires (les agents Ti commerciaux présentés ci-dessus sont bien des agents moléculaires, ce n'est pas le cas des agents T2 mais ceux-ci sont moins intéressants à cause du contraste négatif qu'ils procurent) comme agents de contraste.
Une approche multimodale est entreprise pour ces particules. Cette approche consiste à mettre en œuvre un ensemble de nanoparticules comprenant plusieurs agents de contraste moléculaires. Elle permet de combiner non seulement différentes techniques d'imagerie, mais aussi différentes techniques de thérapie en regroupant plusieurs agents actifs en thérapie dans un même ensemble de nanoparticules. Les agents actifs en imagerie et les agents actifs en thérapie peuvent être identiques ou différents entre eux. Cette approche semble être particulièrement adaptée pour le développement de médicaments en théranostic. On peut notamment ajouter d'autres fonctions d'imagerie (luminescence, scintigraphie...), des fonctions thérapeutiques (largage de principes actifs, radio-sensibilisation, curie-thérapie...) ainsi que des fonctions de ciblage biologique pour une concentration des agents thérapeutiques dans la zone d'intérêt.
Les composés moléculaires, de par leur faible taille, ne permettent en général pas de combiner plusieurs agents actifs, c'est-à-dire plusieurs propriétés au sein d'un même ensemble (manque de place au niveau d'un composé moléculaire).
FR-2867180-B1 décrit des nanoparticules sondes hybrides pour le marquage biologique (fluorescence-luminescence-radioactivité), pour la détection (reconnaissance) ou le suivi de substances spécifiques, appelées cibles. De telles sondes sont particulièrement utilisées pour la cytométrie de flux, l'histologie, les tests immunologiques ou la microscopie de fluorescence, aussi bien pour l'étude de matériaux biologiques que de matériaux non biologiques. Les nanoparticules selon le FR-2867180-B1 ont une structure cœur/coquille (core / shelT) dont le cœur est composé à au moins 90% en poids, de Gd203 c'est-à-dire d'un oxyde de terre rare éventuellement dopé avec une terre rare ou un actinide, et dont la coquille est un enrobage constitué majoritairement de polysiloxane obtenu par hydrolyse/condensation sol/gel d'aminopropyltriéthoxysilane (APTES) et de tétraéthoxysilane (TEOS) en présence de triéthylamine. Le diamètre de cette structure cœur/coquille est par exemple de 8,5 ; 11,5 ou 9,2 nm. La coquille polyorganosiloxane (POS) peut être fonctionnalisée c'est-à-dire greffée par un colorant marqueur (fluorescéine) ou un ligand biologique tel qu'un acide nucléique.
FR-2922106-A1 décrit l'utilisation de nanoparticules hybrides radio-sensibilisantes, à forte concentration en oxydes de lanthanides, comme radio-sensibilisants qui agissent en combinaison avec la radiation pour induire une réponse plus efficace et augmenter l'efficacité thérapeutique. Ces nanoparticules ont une structure cœur/coquille dont le cœur (diamètre e.g. 1,5 nm) est composé de Gd203 (éventuellement associé en mélange 50/50 à de l'oxyde d'holmium), et dont la coquille est un enrobage constitué majoritairement de polysiloxane obtenu par hydrolyse/condensation sol/gel d'aminopropyltriéthoxysilane (APTES) et de tétraéthoxysilane (TEOS) en présence de triéthylamine. Le diamètre de cette structure cœur/coquille est par exemple de 2,7 nm. La coquille POS est ensuite fonctionnalisée c'est-à-dire greffée soit au moyen d'un polyol tel que le polyéthylèneglycol, soit au moyen d'un chélatant e.g. l'acide diéthylènetriamine pentaacétique (DTPA). Ce type de nanoparticule cœur/coquille fonctionnalisée a par exemple un diamètre total de 1 1,7 nm. FR-2930890-A1 divulgue de nouveaux agents de radiothérapie ciblée ou de curiethérapie (radionucléides) constitués par des nanoparticules à forte concentration en oxyde ou oxohydroxyde de terres rares radioactives. Ces nanoparticules sont par exemple des nanoparticules constituées d'un cœur d'oxyde d'holmium enrobé de polysiloxane fonctionnalisé. Le cœur est obtenu par dissolution de sels de chlorure d'holmium dans du diéthylène-glycol. La taille de ce cœur est d'environ 1,5 nm. La couche de polysiloxane fonctionnalisé d'une épaisseur de 0,5 nm est synthétisée par voie sol-gel, à partir principalement d'APTES et de TEOS. Les particules ainsi enrobées sont ensuite fonctionnalisées soit par du PEG250, soit par de l'acide diéthylènetriaminepentaacétique dianhydre (DTPABA). La suspension ainsi préparée est lyophilisée. Les tailles hydrodynamiques sont pour le cœur : 1 ,5 nm ; après enrobage : 3,1 nm et après fonctionnalisation par le DTPABA : 3,6 nm ; après lyophilisation : 4,0 nm.
Les nanoparticules selon ces trois documents FR-2867180-B1, FR-2922106-A1 et FR-2930890-A1 ont notamment comme intérêt, leur coquille polysiloxane qui améliore leur biocompatibilité. Leur petite taille est en outre un atout au regard de l'élimination rénale (clearance) et de la biodistribution in vivo. Mais, l'élément actif comme agent de contraste Tl en IRM dans ces nanoparticules, à savoir par exemple le gadolinium présent au centre du cœur d'oxyde de lanthanide est nettement moins accessible par l'eau que celui en surface ou que celui qui serait complexé par le DTPA ou le DOTA à l'intérieur ou en surface de la couche de polysiloxane. Ceci entraîne une efficacité moindre de l'objet par atome de gadolinium pour ces nanoparticules de type cœur/coquille. En outre, s'il est possible d'atteindre des diamètres de moins de 10 nm pour ces nanoparticules à cœur d'oxyde de gadolinium, par exemple, cela se fait en diminuant la taille de la couche externe de polysiloxane. Il peut en résulter des problèmes de dissolution du cœur lié à la plus faible protection apportée par une couche réduite de polysiloxane. Ceci entraîne des risques de toxicité liés aux concentrations locales élevées en gadolinium.
WO2007124131-A divulgue des nanoparticules hybrides utiles comme agents multimodaux de contraste en imagerie notamment IRM. Ces nanoparticules hybrides comprennent une matrice polymère inorganique à base de silice (ou organique: polyacrylate-polylactide) et une pluralité de complexes de coordination comportant chacun un groupement chélatant fonctionnalisé (DTTA-DTPA-DOTA), un ion métallique paramagnétique (lanthanide/actinide: Gd- Mn), un luminophore (fluorescéine). Le radical de fonctionnalisation est par exemple un aminopropyl-(trimethoxysilyl).
Figure imgf000007_0001
Les nanoparticules de silice ainsi obtenues ont un diamètre de l'ordre de 40 nm. Ces nanoparticules n'ont pas une structure cœur/coquille et donc, a priori n'ont pas les inconvénients y afférents. Cependant, leur taille de plusieurs dizaines de nanomètres est un handicap sérieux en termes d'élimination in vivo.
L'art antérieur ne divulgue pas des nanoparticules alliant une très petite taille, par exemple inférieure à 20 nm, et un fort taux de charge en agent de contraste, e.g. Tl pour l'IRM (gadolinium).
La très faible taille des nanoparticules est primordiale pour obtenir in vivo une bonne élimination rénale et une biodistribution adaptée.
Le taux de charge élevé en complexes magnétiques combiné à la taille et à la rigidité de l'objet permet d'obtenir un η par objet et par atome de gadolinium important (supérieur à celui de l'ion libre et à fortiori des composés moléculaires) ce qui est requis pour avoir en imagerie (e.g. IRM) un fort rehaussement et une réponse correcte aux hautes fréquences.
Objectifs et brève description de l'invention La présente invention vise à satisfaire au moins l'un des objectifs suivants :
(i) proposer de nouvelles nanoparticules qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui soient plus performantes que les nanoparticules de même type connues ; (ii) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui combinent à la fois une petite taille (par exemple inférieure à 20 nm) et un fort taux de charge en métaux (e.g. terres rares), en particulier pour avoir en imagerie (e.g. IRM) un fort rehaussement (lié par exemple à une forte relaxivité ri) et une réponse correcte (relaxivité accrue) aux hautes fréquences ;
(iii) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui aient une bonne rigidité moléculaire appréciable en imagerie IRM ;
(iv) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui aient une excellente biocompatibilité ;
(v) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui aient une très bonne stabilité colloïdale en milieu biologique ;
(vi) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui aient une accessibilité (la petite taille des particules leur permet d'accéder plus facilement aux zones d'intérêt) et une efficacité toujours meilleure pour le ciblage thérapeutique, en particulier vis-à-vis des tumeurs ;
(vii) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui aient une forte concentration d'actifs ;
(viii) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui montrent in vivo une bonne élimination rénale (clearance) et une biodistribution favorable et adaptée ; (ix) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et qui soient utilisables comme une plateforme permettant de combiner de nombreuses fonctionnalités (en plus de celles en IRM) : fonctions d'imagerie (fluorescence, scintigraphie...) ou thérapeutiques (radiosensibilisation, curie-thérapie, photothérapie dynamique...) ;
(x) proposer de nouvelles nanoparticules à base de polymère silicique, de métaux (e.g. terres rares) et de chélatants, qui soient utiles notamment comme agents de contraste en imagerie (e.g. IRM) et/ou dans d'autres techniques de diagnostic et/ou comme agents de thérapie, et dont la toxicité liée aux métaux (e.g. terres rares) qu'elle contient soit réduite ;
(xi) proposer un nouveau procédé d'obtention de nanoparticules telles que celles visées dans les objectifs (i) à (x) ci-dessus ;
(xii) proposer de nouvelles suspensions de nanoparticules telles que celles visées dans les objectifs (i) à (x) ci-dessus ;
(xiii) proposer de nouvelles compositions de diagnostic, de contraste en imagerie (e.g. IRM), de thérapie ou de marquage cellulaire, à base des nanoparticules telles que celles visées dans les objectifs (i) à (x) ci-dessus.
Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention qui concerne dans un premier de ses aspects, des nanoparticules caractérisées
(i) en ce qu'elles comprennent chacune
• une matrice polyorganosiloxane (POS) incluant des cations (e.g.métalliques) Mn+ (n=2 à 6) de préférence de terre rare, éventuellement en partie sous forme d'un oxyde et/ou d'un oxohydroxyde métallique (M), éventuellement associé à des cations dopants Dm+ (m=2 à 6), de préférence une terre rare différente de M, un actinide et/ou un élément de transition ;
• un greffon de fonctionnalisation C1 chélatant qui est :
* issu d'un chélatant C 1 ,
* lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C-,
* et en quantité suffisante pour pouvoir complexer tous les cations Mn+ et Dm+; le greffon C1 étant de préférence en excès par rapport aux cations Mn+ et Dm+; le chélatant Cl duquel le greffon C1 est issu correspondant à une ou plusieurs espèces différentes ;
• éventuellement un autre greffon de fonctionnalisation Gf* lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C-, Gf* pouvant être issu : * d'un composé hydrophile (PEG),
* d'un composé comportant un principe actif PA1 ,
* d'un composé ciblant,
* d'un composé luminescent (e.g. fluorescéine) ;
(ii) en ce que leur diamètre di est compris entre 1 et 20 nm, de préférence entre 1 et 10 nm ;
(iii) et éventuellement en ce qu'elles sont porteuses d'un principe actif PA2, identique ou différent à PA1.
Dans un deuxième aspect, l'invention vise un procédé d'obtention des nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a Synthèse de cœurs à base d'un oxyde et/ou un oxohydroxyde métallique (M), de préférence de terre rare, au moins en partie sous forme cationique Mn+ (n=2 à 6), éventuellement dopé par un dopant (D), de préférence une terre rare différente de M, un actinide et/ou un élément de transition ;
cette synthèse consistant essentiellement à mélanger une base (de préférence une base forte telle que NaOH) avec un sel de M dissous dans un solvant de préférence choisi dans le groupe comprenant les alcools (avantageusement le DEG) ;
b Enrobage des cœurs de l'étape (a) par du polyorganosiloxane (POS) consistant essentiellement à mettre en œuvre une technique sol/gel d'hydrolyse-condensation d'espèces siliciques et d'alcoxysilanes, en présence d'un base ou d'un acide et éventuellement d'un principe actif PA1 et/ou PA2 ;
c Surenrobage de fonctionnalisation des cœurs enrobés de l'étape (b) consistant essentiellement à mettre en présence ces cœurs enrobés de l'étape (b) en présence d'un précurseur de greffons de fonctionnalisation C1, (de préférence issu d'un chélatant Cl choisi parmi les produits définis ci-après), et éventuellement en présence d'un greffon de fonctionnalisation Gf* (de préférence un composé hydrophile et/ou un composé comportant un principe actif PA1 et/ou un composé ciblant biologique et/ou un composé luminescent choisi parmi les produits définis ci-après) ;
d Purification des nanoparticules surenrobées/fonctionnalisées de diamètre do, de préférence par filtration tangentielle, dialyse et/ou par précipitation/lavage ;
e Dissolution des cœurs M des nanoparticules surenrobées/fonctionnalisées de l'étape (c) consistant essentiellement à les mettre en présence d'un agent modificateur du pH et/ou d'un chélatant C2 apte à complexer tout ou partie des cations Mn+ et Dm+, de sorte que le diamètre do des nanoparticules est réduit à une valeur di comprise entre 1 et 20 nm, de préférence entre 1 et 10 nm; ce chélatant C2 étant choisi parmi les produits chélatants définis ci-après ;
f Eventuel ajout d'un sel cationique destiné à être au moins en partie complexé par le chélatant C1 ;
les étapes (c), (d), (e), (f) pouvant être réalisées dans un ordre différent ou en même temps. Dans le cas où tout le cœur aurait été dissous lors de l'étape (c), l'étape (e) devient facultative.
Dans un troisième aspect, l'invention vise une suspension de nanoparticules et l'extrait sec d'une telle suspension.
Dans un quatrième aspect, l'invention vise un liquide injectable comprenant ces nanoparticules. Dans un cinquième aspect, l'invention vise :
→ une composition d'aide au diagnostic, de préférence composition de contraste,
→ une composition thérapeutique,
—► ou une composition de marquage cellulaire,
caractérisée en ce qu'elle comprend des nanoparticules selon l'invention et/ou obtenues par le procédé selon l'invention et/ou de la suspension selon l'invention et/ou préparé à partir de la matière solide selon l'invention.
Définitions
Dans tout ce texte, tout singulier désigne indifféremment un singulier ou un pluriel. Les définitions des termes utilisés dans le cadre du présent exposé et énoncées ci-dessous, correspondent à une terminologie selon l'invention et ne sont données qu'à titre non limitatif.
o APTES désigne le (3-aminopropyl)triethoxysilane.
o BAPTA désigne l'acide 1 ,2 Bis-2-aminophénoxyéthane-N,N,N',N'-tétraacétique. o DEG désigne le diéthylène glycol.
o DOTA désigne l'acide 1 ,4,7, 10-tétraazacyclododécane- 1 ,4,7, 10-tétraacétique.
o DOTA-NHS désigne l'acide 1,4,7,10-tétraazacyclododécane- 1,4,7,10-tétraacétique
N-hydroxysuccinimide.
o DTPA désigne l'acide diéthylènetriaminepentaacétique.
o DTPABA désigne le dianhydride d'acide diéthylènetriaminepentaacétique.
o DTTA désigne l'acide dié hylènetriamine tétraacétique.
o EDTA désigne l'acide éthylènediamine tétraacétique. o EGTA désigne l'acide éthylène glycol-acide bis(2-aminoethyléther)-N,N,N',N'- tétraacétique
o EXAFS désigne : "Extended X-Ray Absorption Fine Structure",
o IRM désigne : "Imagerie par Résonance Magnétique".
o NOTA désigne l'acide l,4,7-triazacyclononane-N,N',N"-triacétique.
o PDT désigne : "photodynamic therapy"
o PET désigne : "Positron Emission Tomography" ou scintigraphie PET.
o PEG désigne le polyéthylène glycol.
o POS désigne le polyorganosiloxane.
o PPG désigne le polypropylène glycol.
o SPECT désigne : "Single Photon Emission Computed Tomography" ou scintigraphie SPECT
o TEOS désigne le tétraéthoxysilane.
o TEM désigne la microscopie électronique en transmission.
o XPS désigne : "X-ray photoelectron spectroscopy".
o Un composé "hydrophile" désigne un composé ayant une forte affinité pour l'eau, par "forte" on entend par exemple un composé qui puisse se dissoudre ou se disperser de façon homogène dans l'eau à température ambiante à plus de 100 grammes par litre de solution.
o "alkyle", désigne une chaîne hydrocarbonée saturée, linéaire ou ramifiée, éventuellement substituée (e.g. par un ou plusieurs alkyles), de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, par exemple de 1 à 8 atomes de carbone, mieux encore de 1 à 7 atomes de carbone.
Des exemples de groupements alkyle sont notamment méthyle, éthyle, isopropyle, n-propyle, tert-butyle, isobutyle, n-butyle, n-pentyle, isoamyle et 1,1- diméthylpropyle.
La partie alkyle du groupement alcoxy est telle que définie ci-dessus,
o " cycloalkyle" , désigne un groupement hydrocarboné saturé mono- ou polycyclique, de préférence mono- ou bicyclique, présentant préférablement de 3 à 10 atomes de carbone, mieux encore de 3 à 8.
o "groupement hydrocarboné saturé polycyclique" , désigne un groupement présentant deux ou plusieurs noyaux cycliques rattachés les uns aux autres par des liaisons π ou/et condensés deux à deux.
Des exemples de groupements cycloalkyle polycycliques sont adamantane et norbornane.
Des exemples de groupements cycloalkyle monocycliques sont cyclopropyle, cyclobutyle, cyclopentyle, cyclohexyle, cycloheptyle et cyclooctyle. "oryle", désigne un groupement hydrocarboné aromatique, ayant de 6 à 18 atomes de carbone, monocyclique ou polycyclique et de préférence monocyclique ou bicyclique. Il doit être entendu que, dans le cadre de l'invention, par "groupement aromatique polycyclique", on entend un groupement présentant deux ou plusieurs noyaux aromatiques, condensés (orthocondensés ou ortho et péncondensés) les uns aux autres, c'est-à-dire présentant, deux à deux, au moins deux carbones en commun.
Ledit groupement hydrocarboné aromatique ("aryle") est éventuellement substitué par exemple par un ou plusieurs alkyles en C1-C3, un ou plusieurs groupements hydrocarbonés halogénés (e.g. CF3), un ou plusieurs alcoxy (e.g. CH30) ou un ou plusieurs groupements hydrocarbonés comprenant un ou plusieurs motifs cétone (e.g. CH3CO-).
A titre d'exemple d'aryle, on peut mentionner les radicaux phényle, naphtyle, anthryle et phénanthryle. phényle ; p-chlorophényle ; m-chlorophényle ; dichloro- 3,5-phényle ; trichlorophényle ; tétrachlorophényle ; o-, p- ou m-tolyle ; α,α,α- trifluorotolyle ; xylyles comme diméthyle-2,3 phényle ; diméthyle-3,4-phényle. Ces groupements peuvent être éventuellement halogénés, ou bien encore être choisis parmi les radicaux cyanoalkyles.
Les halogènes sont par exemple le fluor, le chlore, le brome et l'iode, de préférence le chlore ou le fluor.
"arylalkyle" désigne un groupement alkyle tel que défini ci-dessus, substitué par un ou plusieurs groupements aryle sur sa chaîne hydrocarbonée, le groupement aryle étant tel que défini ci-dessus. Des exemples en sont benzyle et triphénylméthyle. "alcényle" désigne une chaîne hydrocarbonée insaturée, linéaire ou ramifiée, substituée ou non, présentant au moins une double liaison oléfinique, et plus préférablement une seule double liaison. De préférence, le groupement "alcényle" présente de 2 à 8 atomes de carbone, mieux encore de 2 à 6. Cette chaîne hydrocarbonée comprend éventuellement au moins un hétéroatome tel que O, N, S. Des exemples préférés de groupements alcényle sont les groupements vinyle, allyle et homoallyle.
"alcynyle", désigne selon l'invention, une chaîne hydrocarbonée insaturée, linéaire ou ramifiée, substituée ou non, présentant au moins une triple liaison acétylénique, et plus préférablement une seule triple liaison. De préférence, le groupement alcynyle présente de 2 à 8 atomes de carbone, mieux encore de 2 à 6 atomes de carbone. A titre d'exemple, on peut citer le groupement acétylényle, ainsi que le groupement propargyle. Cette chaîne hydrocarbonée comprend éventuellement au moins un hétéroatome tel que O, N, S. Description détaillée de l'invention
Nanoparticules de_ invention
Les nanoparticules selon l'invention peuvent être définies par leur structure matricielle de POS incluant une fonctionnalisation chélatante C1 issue d'un chélatant Cl et conduisant à la formation de complexes [Mn+]/[C'] voire [Dm+]/[C'], et, selon une modalité facultative mais néanmoins préférée, des greffons de fonctionnalisation Gf* par exemple issus :
o d'un composé hydrophile (PEG) ;
o d'un composé comportant un principe actif PA1 ;
o d'un composé ciblant ;
o et/ou d'un composé luminescent (fluorescéine).
Les nanoparticules selon l'invention peuvent également être définies par leur mode d'obtention. Les nanoparticules ainsi définies constituent en elles-mêmes un autre objet de l'invention et sont caractérisées en ce que la matrice POS de chaque nanoparticule est obtenue à partir d'une nanoparticule de diamètre do comprenant :
un cœur à base d'un oxyde et/ou un oxohydroxyde métallique (M), de préférence de terre rare, au moins en partie sous forme cationique Mn+ (n=2 à 6), éventuellement dopé par un dopant (D), de préférence une terre rare différente de M, un actinide et/ou un élément de transition ;
- au moins une couche d'enrobage à base de POS ;
- et, éventuellement un surenrobage à base d'un agent de fonctionnalisation, de préférence choisi parmi les chélatants de fonctionnalisation Cl aptes à séquestrer des cations et/ou les composés ciblants et/ou les composés comportant un principe actif PA1 et/ou les composés hydrophiles et/ou les composés luminescents ;
ladite nanoparticule étant soumise à une dissolution du cœur M, de préférence à l'aide d'un agent modificateur du pH et/ou d'un chélatant C2, identique ou différent à Cl, apte à complexer tout ou partie des cations Mn+ et Dm+, de sorte que le diamètre d0 de la nanoparticule est réduit à une valeur d] comprise entre 1 et 20 nm, de préférence entre 1 et 10 nm.
Ces nanoparticules ont donc pour particularité d'être "sans cœur", ou plus précisément de ne plus présenter de cœur. Elles ne comprennent pas de cœur cristallisé. Plus précisément encore Elles ne comprennent pas de cœur encapsulé par au moins un enrobage.
Pour illustrer cela, on se référera à titre non limitatif aux figures 1 et 2 annexées. La figure 1 est une image en TEM (grossissement du microscope x600 000) de particules précurseur des nanoparticules selon l'invention. Ces particules précurseur sont formées par des cœurs d'oxyde métallique M (oxyde de gadolinium), enrobés de polysiloxane, et fonctionnalisés par un complexant C1 (e.g. DOTA anhydre). Les tailles observées sont comprises entre 3 et 5 nm.
Les molécules de DOTA ne sont pas visibles au TEM, on ne voit que le cœur enrobé. La figure 2 annexée est une image en TEM après dissolution des cœurs, prise dans les mêmes conditions que l'image de la figure 1. On n'observe aucune particule qui comporterait un cœur, alors que l'analyse chimique locale indique la présence de gadolinium dans la zone observée.
Une caractéristique essentielle de ces particules ultrafines vient de leur très petite taille, de l'ordre de quelques nanomètres. A ces très petites tailles (inférieures ou égales à, dans un ordre croissant de préférence 20; 18; 15; 12; 10; 8; 5; 3 nanomètres), les particules présentent un comportement quasi moléculaire, permettant :
— > une très bonne stabilité colloïdale en milieu biologique,
— > une bio-distribution favorable avec une possibilité d'élimination par les voies naturelles adaptées, c'est à dire une bio-distribution rénale sans captation dans les organes vitaux, tout en présentant un temps de rétention plus long que celui de complexes moléculaires, leur aspect plus massif permettant en outre d'éviter une diffusion trop importante,
— » une meilleure accessibilité et efficacité pour le ciblage tumoral,
— > une possibilité d'insérer une forte concentration d'élément actifs, c'est-à-dire obtenir un grand taux de chélatants C l greffées sur et au sein de la matrice polysiloxane et obtenir un rapport Cl sur silicium important, avantageusement supérieur ou égal à, dans un ordre croissant de préférence, 1 ; 5; 10; 20; 30; 40; 50
% en masse. Pour la recherche d'un signal donné ou d'un effet thérapeutique lié à l'élément complexé, ceci limite alors l'injection de l'élément exogène silicium. S'agissant de la taille, il peut être observé que ces nanoparticules sont également caractérisées par leur masse molaire (en kDa) supérieure ou égale à, dans un ordre croissant de préférence, 2, 3, 5, et inférieure ou égale à, dans un ordre croissant de préférence, 200, 100, 50, 20, 10.
Leurs très bonnes stabilités et compatibilités chimiques sont deux caractéristiques très importantes de ces nanoparticules. Leur squelette de base est formé de POS, c'est-à- dire majoritairement de composés comprenant Si, C, H, O et N, base des silicones, composés réputés pour leur très bonne compatibilité biologique et leur faible toxicité. Les éléments actifs supplémentaires, comme les cations métalliques sont eux insérés au sein des particules par complexation grâce à des molécules stables et reconnues fiables pour les applications biologiques. La concentration résiduelle en ions libres peut alors être contrôlée et maintenue bien en dessous des seuils de toxicité critiques. Les échanges de cations complexés avec des cations endogènes peuvent être également contrôlés par utilisation au sein d'une même particule d'une partie des fonctions chélatantes C1. La possibilité d'ajout sur les nanoparticules de complexant libres (e.g. C2) de cations métalliques permet d'assurer que la libération accidentelle de M (e.g. du gadolinium) voire de D, puisse être immédiatement compensée par la complexation par un autre chélatant réduisant ainsi les risques de toxicité liée à la nature du gadolinium.
Ces nanoparticules de POS "sans cœur" comprennent une forte densité de greffons chélatants C1 liés (ou non C2) de façon covalente au squelette (matrice) de POS.
De préférence, les chélatants C l et/ou C2 sont présents dans les nanoparticules en quantité telle que tout ou partie des ions, en particulier les cations Mn+ voire Dm+ ne sont pas libres mais sont complexés. Mieux encore, le pourcentage massique des éléments M et D impliqués dans des liaisons M-O-M ou M-O-D ou D-O-D ou M-O-Si ou D-O-Si, par rapport au nombre total d'éléments M et D, inférieur ou égal à, dans un ordre croissant de préférence 10; 5; 2, 1 ; 0,5; 10"' ; 10"2; 10"3.
Le nombre de chélatants C1 et/ou C2 dans les nanoparticules est supérieur au nombre de cations restants Ml1+ et/ou de Dm+, voire d'autres cations (e.g. Ca^, Mg+) éventuellement ajoutés en pus des Mn+ et/ou de Dm+.
Ce pourcentage de liaisons (oxydes) M-O-M ou M-O-D ou D-O-D ou M-O-Si ou D-O-Si peut être mesuré par les techniques connues de type EXAFS, XPS, spectroscopie vibrationnelle, microscopie électronique en transmission couplée à des analyses structurales etc.
Cette mesure permet d'évaluer le nombre de liaisons spécifiques du cœur, cette mesure permet une mesure quantitative de la présence ou non du cœur, elle permet aussi d'évaluer les espèces M ou D qui pourraient facilement se dissoudre et se retrouver sous forme ionique en solution.
Les chélatants Cl peuvent être greffés en surface des particules de polysiloxane ou directement insérés au sein de la matrice POS. Une partie ou la totalité de ces chélatants sont destinés à complexer des cations Mn+ (e.g. du gadolinium) voire Dm+. Une autre partie de ces chélatants peut servir à la complexation de cations endogènes pour assurer une bonne compatibilité avec les milieux biologiques rencontrés.
De préférence, au moins 1% et de préférence au moins 10% des chélatants C1 ne sont pas complexés par des cations Mn+, voire ni Dm+
L'un des intérêts majeurs des nanoparticules selon l'invention, est que M et /ou D puisse être un agent actif en imagerie (e.g. un agent de contraste) et/ou en thérapie. En effet, M/Mn (e.g. du gadolinium) voire D/Dm présentent des propriétés remarquables pour des applications biologiques en imagerie et/ou en thérapie, comme par exemple des propriétés magnétiques, fluorescentes, radioactives (élément de numéro atomique élevé) ou radiosensibilisantes (X, gamma, béta, neutron).
Ces nanoparticules peuvent donc être utilisées comme agent de contraste dans des systèmes d'imagerie comme : l'IRM, la scintigraphie SPECT, la scintigraphie PET, l'imagerie par fluorescence, les scanners X.
Outre la fonctionnalisation chélatante C1, ces nanoparticules peuvent être modifiées (fonctionnalisation) en surface par des composés hydrophiles (PEG) et/ou chargées différemment pour adapter leur bio-distribution au sein de l'organisme et/ou permettre un bon marquage cellulaire, en particulier pour le suivi des thérapies cellulaires.
En outre, elles peuvent être fonctionnalisées en surface par des composés ciblants biologiques, pour accéder préférentiellement à certaines zones d'intérêt de l'organisme, en particulier aux zones tumorales. De cette façon, on concentre l'agent porté par ces nanoparticules, dans la zone d'intérêt sans avoir à augmenter de manière très importante les quantités injectées comme c'est le cas actuellement.
La fonctionnalisation peut se faire également par des composés comportant un principe actif PA1 et/ou des composés luminescents (fluorescéine)
II en résulte des possibilités d'utilisations thérapeutiques comme agent radiosensibilisant en combinaison avec des radiothérapies, des neutronthérapies, comme agent radioactif pour des traitements de curiethérapie, comme agent pour la PDT (photodynamic therapy) ou comme agent de vectorisation de molécules à effet thérapeutique.
Une caractéristique essentielle de ces particules ultrafines vient de leur très petite taille, de l'ordre de quelques nanomètres. A ces très petites tailles (inférieures ou égales à, dans un ordre croissant de préférence 20; 18; 15; 12; 10; 8; 5; 3 nanomètres), les particules présentent un comportement quasi moléculaire, permettant :
— > une très bonne stabilité colloïdale en milieu biologique,
→ une bio-distribution favorable avec une possibilité d'élimination par les voies naturelles adaptées, c'est à dire une bio-distribution rénale sans captation dans les organes vitaux, tout en présentant un temps de rétention plus long que celui de complexes moléculaires, leur aspect plus massif permettant en outre d'éviter une diffusion trop importante,
— > une meilleure accessibilité et efficacité pour le ciblage tumoral,
—> une possibilité d'insérer une forte concentration d'élément actifs, c'est-à-dire obtenir un grand taux de chélatants Cl greffées sur et au sein de la matrice polysiloxane et obtenir un rapport Cl sur silicium important, avantageusement supérieur ou égal à, dans un ordre croissant de préférence, 1 ; 5; 10; 20; 30; 40; 50% en masse. Pour la recherche d'un signal donné ou d'un effet thérapeutique lié à l'élément complexé, ceci limite alors l'injection de l'élément exogène silicium. S'agissant de la taille, il peut être observé que ces nanoparticules sont également caractérisées par leur masse molaire (en kDa) supérieure ou égale à, dans un ordre croissant de préférence, 2, 3, 5, et inférieure ou égale à, dans un ordre croissant de préférence, 200, 100, 50, 20, 10. Leurs très bonnes stabilités et compatibilités chimiques sont deux caractéristiques très importantes de ces nanoparticules. Leur squelette de base est formé de POS, c'est-à- dire majoritairement de composés comprenant Si, C, H, O et N, base des silicones, composés réputés pour leur très bonne compatibilité biologique et leur faible toxicité. Les éléments actifs supplémentaires, comme les cations métalliques sont eux insérés au sein des particules par complexation grâce à des molécules stables et reconnues fiables pour les applications biologiques. La concentration résiduelle en ions libres peut alors être contrôlée et maintenue bien en dessous des seuils de toxicité critiques. Les échanges de cations complexés avec des cations endogènes peuvent être également contrôlés par utilisation au sein d'une même particule d'une partie des chélatants Cl . La possibilité d'ajout sur les nanoparticules de complexants libres de cations métalliques permet d'assurer que la libération accidentelle de M (e.g. du gadolinium) voire de D, puisse être immédiatement compensée par la complexation par un autre chélatant réduisant ainsi les risques de toxicité liée à la nature du gadolinium. Une autre caractéristique de ces nanoparticules est le maintien du caractère rigide des objets et de la géométrie globale des particules après injection. Cette forte rigidité tridimensionnelle est assurée par la matrice polysiloxane, où la majorité des siliciums sont liés à 3 ou 4 autres atomes de silicium via un pont oxygène. La combinaison de cette rigidité avec leur petite taille permet d'augmenter la relaxivité de ces nanoparticules pour les fréquences intermédiaires (20 à 60 MHz) par rapport aux composés commerciaux (complexes à base de Gd-DOTA par exemple), mais aussi pour des fréquences supérieures à 100 MHz présentes dans les IRM haut champ de nouvelle génération.
Cette rigidité, non présente dans les polymères, est aussi un atout pour la vectorisation et l'accessibilité des molécules ciblantes.
Par ailleurs, il doit être souligné que la biocompatibilité de ces nanoparticules n'est pas la moindre de leurs qualités. Fo mule général
Les nanoparticules selon l'invention sont également caractérisées par la formule générale suivante:
[C']a [R Jb Si [0]c [OH]d [Mn+]e [Dm+]f [Gf*|g
avec :
♦ C1 sont des greffons de fonctionnalisation formés par des radicaux hydrocarbonés monovalents, identiques ou différents entre eux, chélatants et reliés chacun au Si par une liaison Si-C ;
♦ R sont des radicaux monovalents, identiques ou différents entre eux, constituant un greffon de fonctionnalisation relié au Si par une liaison Si-C, et comprenant de préférence un groupe hydrophile et au moins un atome N ou O ;
♦ Mn+sont des cations métalliques identiques ou différents entre eux avec n=2 à 6 ;
♦ Dm+sont des cations métalliques identiques ou différents entre eux avec m=2 à 6 ;
♦ Gf* sont des greffons de fonctionnalisation autres que C1 et formés par des radicaux hydrocarbonés monovalents, identiques ou différents entre eux, reliés chacun au Si par une liaison Si-C et pouvant être issu :
o d'un composé hydrophile (PEG) ;
o d'un composé comportant un principe actif P A 1 ;
o d'un composé ciblant;
o d'un composé luminescent (fluorescéine) ;
♦ a supérieur ou égal à 0,01 et inférieur ou égal à 0,8 ; avec de préférence a > d + e;
♦ b inférieur ou égal à 0,7 ;
♦ c supérieur ou égal à 0,5 et inférieur à 1,9 ;
♦ g supérieur ou égal à 0 et inférieur à 0,3 ;
♦ e+f supérieur ou égal à 0,01 et inférieur ou égal à 0,8 ;
♦ e+f inférieur ou égal à a ;
♦ a+b+2c+d+g =4 ;
♦ a+b+g compris entre 0,25 et 0,95.
Les radicaux hydrocarbonés monovalents sont e.g. des alkyles, des cycloalkyles, des aryles, des arylalkyles, des alcényles ou des alcynyles.
La .quantité . de . silicium fa
Le rapport atomique [(M/Si) * 100] est un autre paramètre représentatif des nanoparticules selon l'invention. Ainsi, ces nanoparticules sont-elles caractérisées par un rapport de % atomique [(M/Si) xlOO] compris entre 10 et 60, de préférence entre 25 et 40. Suivant une autre caractéristique remarquable de l'invention, 1 à 80%, et de préférence 20 à 60%, des siliciums de la matrice POS des nanoparticules sont liés, par liaison silane Si-C, à au moins un chélatant Cl .
En d'autres termes, 25 à 95% et de préférence de 40 à 60% des atomes de silicium de la matrice POS sont liés de façon covalente à un atome de carbone.
Avantageusement, au moins 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60%, selon un ordre croissant de préférence, des siliciums de la matrice POS des nanoparticules sont liés, par liaison silane Si-C, à au moins un groupement de fonctionnalisation chélatant Cl, et/ou à au moins un autre greffon de fonctionnalisation Gf* lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C-, Gf* pouvant être issu :
o d'un composé hydrophile (PEG) ;
o d'un composé comportant un principe actif PA1 ;
o d'un composé ciblant ;
o d'un composé luminescent (fluorescéine).
Dans un mode préféré de réalisation où chacune des nanoparticules comprend au moins une couche externe comprenant un greffon de fonctionnalisation chélatant C1 greffé à la surface de la matrice POS; il est prévu qu'entre 1 et 80%, idéalement 20 et 60% des atomes de silicium, sont liés par des liaisons Si-C au greffon de fonctionnalisation chélatant C1. MMlîiïïfQdglité
Avantageusement, ces nanoparticules peuvent être élaborées pour présenter une multimodalité de propriétés, c'est-à-dire qu'elles sont multimodales, notamment du fait des différents cations Mn+, voire Dm+ , qu'elles comprennent, qui sont complexés par C 1 , et qui sont utiles comme agent(s) de contraste en imagerie et/ou comme agent(s) thérapeutique(s).Par exemple, des mêmes nanoparticules présentent :
— > un comportement d'agent de contraste pour au moins deux des techniques de détection, par exemple l'IRM et la scintigraphie ou l'IRM et la fluorescence,
— > ou deux comportements différents d'agent thérapeutique,
— » ou au moins un comportement d'agent de contraste et au moins un comportement d'agent thérapeutique.
Ces nouvelles nanoparticules peuvent donc être utilisées comme une plateforme permettant de combiner de nombreuses fonctionnalités (en plus de celles en IRM) : fonctions d'imagerie (fluorescence, scintigraphie...) et/ou fonctions thérapeutiques
(radiosensibilisation, curiethérapie, photothérapie dynamique...).
Relçtxiyj é
De préférence, les nanoparticules selon l'invention ont une relaxivité η par ion Mn+ est supérieure à 5 mM"'(d'ion Mn+).s"' préférentiellement 10 mM"'(d'ion Mn+).s"' pour une fréquence de 20 MHz.
Mieux encore, ces nanoparticules ont une relaxivité ri par ion Mn+ à 60 MHz qui est supérieure ou égale à la relaxivité par ion Mn+ à 20 MHz.
La relaxivité considérée ici est une relaxivité par ion Mn+ (par exemple gadolinium). ri est extrait de la formule suivante : l/Tj = [1/Ti]eau + fi [Mn+]
EJÂïïl? ?. actifs Métalliques (cations} M et dopants D
De préférence, M et D sont choisis dans les groupes d'éléments suivants : lanthanides, éléments de transition, actinides, éléments des colonnes Ib, Ha, llla , lllb, Va, VIb, Vllb, VIII de la classification périodique selon "The Merck Index - Eleventh édition" ;
de préférence dans les sous-groupes comprenant :
o les lanthanides suivants : Gd, Dy, Eu, Tb, Nd, Yb, Er, Ho, Lu ;
o Ib : Cu, Ag, Au ;
o lia : Ca, Mg ;
o llla : Ga, In ;
o IIIb : Y ;
o Va : Bi ;
o VIb : Cr, Mo ;
o VIIb : Mn, Tc ;
o VIII : Fe, Ru, Pt, Rh, Ir. Gd, Dy conviennent bien e.g. pour des nanoparticules utiles comme agent de contraste en IRM.
Eu, Tb, Nd, Yb, Er conviennent bien e.g. pour des nanoparticules utiles comme agent de fluorescence.
Ho, Lu conviennent bien e.g. pour des nanoparticules utiles comme agent de Curiethérapie.
Lu, Yb, Gd, Ho conviennent bien e.g. pour des nanoparticules utiles comme agent de radio-sensibilisation. LQÇ.Q.I i?.Q .Qn des . él éments fictifs met ail [que s _ (çat[ons)_ M et. dopants. D
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les cations Mn+ et/ou Dm+ sont localisés à la surface des nanoparticules.
D'où il s'ensuit que ces cations sont proches de molécules d'eau et peuvent ainsi avoir notamment un effet important de rehaussement de contraste Ti en IRM. Cette amélioration des performances des nanoparticules suivant l'invention, est un témoin, parmi d'autres, de la localisation des cations Mn+ et/ou Dm+ à la surface.
hél a Cl, Ç2 ou Ç3
Avantageusement, le chélatant Cl , C2 est choisi parmi les produits suivants :
o ies produits du groupe des acides polycarboxyliques polyaminés et leurs dérivés, et, plus préférentiellement encore dans le sous-groupe comprenant: DOTA, DTP A, EDTA, EGTA, BAPTA, NOTA et leurs mélanges ;
o les produits du groupe comprenant porphyrine, chlorine, 1,10-phénanthroline, bipyridine, terpyridine, cyclam, triazacyclononane, leurs dérivés et leurs mélanges;
o et leurs mélanges.
Comme exemples de chélatants, on peut citer ceux comprenant un motif DTPA, DOTA, DTDTPA (DTPA dithiolé) ou un motif acide succinique.
Si M est un lanthanide, Cl, C2 est avantageusement sélectionné parmi ceux qui présentent des propriétés complexantes des lanthanides, en particulier ceux dont la constante de complexation log(Kci) est supérieure à 15, préférentiellement 20. (e.g. le DTPA ou le DOTA).
Ç.QinPQ?Â?.hydro hile ,
Selon une disposition privilégiée de l'invention, les composés hydrophiles desquels sont issus les greffons de fonctionnalisation sont choisis dans le groupe des polyols, de préférence dans le sous-groupe comprenant les glycols, les sucres et leurs mélanges; les dextranes, le PEG et le PPG étant particulièrement préférés.
Suivant une alternative, ces composés hydrophiles peuvent être choisis parmi ceux qui ont des masses molaires inférieures à 2.000 g/mol, de préférence inférieures à 800 g/mol. On donne ci-après des exemples de composés hydrophiles, avec leur masse molaire (Mw) préférée :
- Poly(éthylèneglycol)bis(carboxyméthyl)éther (PEG), 250< Mw<2000 g.mol" 1 ;
- Polyoxyéthylène bis(amine), 250< Mw<2000 g.mol"' ;
- O-Méthyl-O'-succinylpolyéthylèneglycol, Mw de l'ordre de 2000 g.mol"1 ;
Méthoxypolyéthylèneglycolamine Mw de l'ordre de 750 g.mol"1 ;
Acide succinique et mercaptosuccinique ;
Sucres, en particulier le glucose et ses dérivés, par exemple les dextranes ; Acides aminés ou peptides hydrophiles (acide aspartique, acide glutamique, lysine, cystéine, sérine, thréonine, glycine...) ;
Et leurs mélanges.
Plus généralement, les composés hydrophiles comprennent avantageusement des fonctions alcools ou acides carboxyliques ou aminés ou amides ou esters ou éther-oxydes ou sulfonates ou phosphonates ou phosphinates et seront liées, de préférence de façon covalente, à au moins 10 % des atomes de silicium du POS de la matrice.
***
Il va de soi que le chélatant C 1 , C2 peut être un composé hydrophile et réciproquement.
***
Selon une modalité intéressante de l'invention, les nanoparticules portent un principe actif PA2, par l'intermédiaire de liaisons chimiques labiles, de préférence choisies dans le groupe des liaisons chimiques labiles comprenant : amide, -S-S-, ou une liaison susceptible d'être lysée par une enzyme spécifique.
Selon une autre modalité intéressante de l'invention, Le principe actif PA1 ou PA2 (e.g. inclus dans un greffon de fonctionnalisation ou complexé par C l) est choisi dans le groupe des molécules thérapeutiques, des composés magnétiques, des composés radioactifs ou susceptibles de le devenir après activation.
Composés ciblante l QÎçgi.q.ues
Le choix des cibleurs biologiques se fait parmi les familles de biovecteurs suivantes, utilisées en imagerie et/ou en thérapie, de préférence dans le groupe des espèces capables de reconnaître et de s'apparier spécifiquement avec des zones d'intérêts biologiques et permettant ainsi un ciblage desdites zones. Il peut s'agir e.g.de : protéines, glycoprotéines, lipoprotéines, polypeptides, peptides (e.g. RGD), peptidomimétiques, colorants, sucres, oligosaccharides, neuromédiateurs, aminés quaternaires, aptamères, anticorps et les associations desdits composés.
Composés lum inescents
Les composés luminescents sont choisis dans le groupe des fluorophores organiques ou inorganiques
***
Il va de soi que chaque produit :
o chélatant Cl, C2 ;
o composé hydrophile ; o principe actif PA1 ou PA2 ;
o composé ciblant biologique ;
o ou composé luminescent ;
peut posséder la caractéristique de tout ou partie des autres produits.
***
Procédé
L'invention concerne aussi un procédé d'obtention de nanoparticules notamment du type de celles définies ci-dessus. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes (a), (b), (c), (d), (e) ((f) : facultative) définies ci-avant ; les étapes (c), (d), (e), (f) pouvant être réalisées dans un ordre différent ou en même temps.
L'étape (a) consiste plus précisément en pratique à former une nanoparticule de type cœur/coquille avec un cœur d'oxyde de lanthanide (par voie polyol modifiée) et une coquille de polysiloxane (par sol/gel), cet objet a par exemple une taille aux alentours de 10 nm (préférentiellement 5 nanomètres). Un cœur d'oxyde de lanthanide de taille très petite (adaptable inférieure à 10 nm) peut ainsi être élaboré dans un alcool par un des procédés décrits dans les publications suivantes (P. Perriat et al., J. Coll. Int. Sci, 2004, 273, 191 ; O. Tillement et al., J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5076 et P. Perriat et al., J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4038).
Selon l'étape (b), ces cœurs peuvent être enrobés par une couche de polysiloxane en suivant par exemple un protocole décrit dans les publications suivantes (C. Louis et al., Chem. Mat, 2005, 17, 1673 et O. Tillement et al., J. Am. Chem. Soc, 2007, 129, 5076).
Dans l'étape (c), on greffe à la surface du polysiloxane des chélatants spécifiques des cations métalliques visés ; on peut également en insérer une partie à l'intérieur de la couche mais le contrôle de la formation du polysiloxane est complexe et le simple greffage extérieur donne, à ces très faibles tailles, une proportion de greffage suffisante.
L'étape (d) de purification consiste plus précisément à séparer les nanoparticules des résidus de synthèse par une méthode de dialyse ou de filtration tangentielle, sur une membrane comportant des pores de taille adaptée.
Dans l'étape (e) ultérieure, le cœur est détruit par dissolution (par exemple en modifiant le pH ou en apportant des molécules complexantes dans la solution). Cette destruction du cœur permet alors un éparpillement de la couche de polysiloxane (selon un mécanisme d'effondrement ou de corrosion lente), ce qui permet d'obtenir en final un objet en polysiloxane de morphologie complexe dont les dimensions caractéristiques sont de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la couche de polysiloxane, c'est-à-dire beaucoup plus petit que les objets jusqu'à présent élaborés. On obtient également une forte teneur en chélatants Cl puisque ceux-ci sont greffés initialement à la surface du polysiloxane et qu'à ces très faibles tailles la surface concerne une très forte proportion de la matière de la particule, le rapport surface sur volume varie en fonction de la taille en 1/r (rayon). Au cours du mécanisme d'effondrement de cette structure d'autres complexes peuvent se fixer également jusqu'à saturation sur les surfaces « fraîches » nouvellement formées. On atteint ainsi des teneurs en complexants largement supérieures à celles qui auraient été obtenues par une classique fonctionnalisation de surface de particules de silice plus fines, sous réserve de la disponibilité de telles particules.
Le fait de retirer le cœur permet ainsi de passer d"une taille de particules d'environ 5 nanomètres de diamètre à une taille d'environ 3 nanomètres. De plus, cette opération permet d'augmenter le nombre de M (e.g. gadolinium) par nm3 en comparaison d'une nanoparticule de polysiloxane théorique de même taille mais comprenant du M (e.g. gadolinium) uniquement en surface.
Le nombre de M pour une taille de nanoparticule est évaluable grâce au rapport atomique M/Si mesuré par EDX.
Produits .dérivés des. n nop_qrticules_
L'invention a également pour objet :
Une suspension de nanoparticules telles que définies ci-dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra.
Une suspension de nanoparticules telles que définies ci-dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra, caractérisée en ce qu'elle comprend du chélatant C1 libre d'ions Mn+ ou Dm+.
Une matière solide obtenue par élimination du liquide, de préférence par lyophilisation de la suspension de nanoparticules telles que définies ci- dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra.
Un liquide injectable comprenant des nanoparticules telles que définies ci- dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra, et/ou de la suspension de ces nanoparticules et/ou préparé à partir de la matière solide susvisée.
4j?J>!i.Çations
L'invention se rapporte également aux applications de ces nanoparticules, dont notamment :
- A une composition d'aide au diagnostic, de préférence composition de contraste, caractérisée en ce qu'elle comprend des nanoparticules telles que définies ci-dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra et ou de la suspension susvisée et/ou préparé à partir de la matière solide définie ci-dessus. A une composition thérapeutique caractérisée en ce qu'elle comprend des nanoparticules telles que définies ci-dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra et/ou de la suspension susvisée et/ou préparé à partir de la matière solide définie ci-dessus.
A une composition thérapeutique comprenant des nanoparticules telles que définies ci-dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra et/ou de la suspension susvisée et/ou préparée à partir de la matière solide définie ci-dessus, pour le traitement des cancers ou des maladies neuro-dégénératives, en particulier pour le ciblage de sites à traiter. A une composition de marquage cellulaire caractérisée en ce qu'elle comprend des nanoparticules telles que définies ci-dessus et/ou obtenues par le procédé décrit supra et/ou de la suspension susvisée et/ou préparé à partir de la matière solide définie ci-dessus.
EXEMPLES
Matériel et méthodes
La mesure de la taille des nanoparticules en suspension colloïdale s'effectue par spectroscopie de corrélation de photons (PC S) sur un Zetasizer Nano-S de Malvern. La taille des particules peut également être mesurée par microscopie électronique en transmission (TEM), sur un microscope JEOL 2010 avec une tension d'accélération de 200 kV. Une goutte de solution colloïdale diluée est placée sur une grille de carbone pour l'analyse.
La centrifugation des solutions s'effectue à l'aide d'une centrifugeuse Allegra 25R de Beckman Coulter, à une vitesse de 4100 rpm.
Dans le cadre de la purification, la filtration tangentielle des solutions s'effectue à travers une membrane de 5kDa, dans des tubes de Vivaspin 20mL de Sartorius Stedim Biotech, jusqu'à obtenir une dilution des impuretés supérieure à 1000. Pour cela les tubes de Vivaspin sont centrifugés à 4100 rpm également.
La lyophilisation des particules s'effectue sous vide dynamique à 0,15 mbar et -2°C dans un lyophilisateur CHRIST Alpha 1-2.
Les analyses chimiques par diffraction de rayons X (EDX) s'effectuent sur un microscope électronique à balayage Philips XL20. Pour chaque échantillon, une goutte de solution aqueuse est déposée sur un support en carbone. Après séchage, la surface est métallisée par une couche d'or de 10 nm d'épaisseur. Pour l'analyse chimique trois mesures sont moyennées, sur trois zones de 50μηι x 50μπι environ. Les pourcentages de chaque élément sont obtenus en pourcentages atomiques. Le signal des particules en relaxométrie est mesuré à l'aide d'un analyseur Bruker Minispec MQ60 NMR, avec un champ magnétique de 1 ,4T.
Exemple 1. Synthèse de cœur d'oxyde de gadolinium Une solution est préparée par dissolution d'une quantité de 1 1 g/L de sel de chlorure de gadolinium (GdCl3, 6H20) dans un volume de 375 mL de diéthylène glycol (DEG). A la solution obtenue, un ajout de 375 mL d'une solution de soude à 0,1 mol/L dans du DEG est effectué, à température ambiante, en 15h.
La figure 3 annexée montre la distribution de taille des cœurs d'oxyde de gadolinium, mesurée dans le DEG par PCS ; moyenne : 3,6 nm. Exemple 2. Fonetionnalisation des cœurs d'oxyde de gadolinium avec du DTPABA
Autour des cœurs d'oxyde de gadolinium de l'exemple 1, une couche de polysiloxane fonctionnalisé est synthétisée par voie sol-gel. Pour ce faire, la solution de cœurs de 750 mL est portée à 40°C dans un bain d'huile, sous agitation. 787 μΐ. d'APTES, 502 de TEOS et 1913 μί d'une solution aqueuse de tnéthylamine à 0,1 mol/L sont ajoutés à la solution de cœurs. Ces ajouts sont répétés une deuxième fois après 24h d'attente. La solution est laissée ensuite 48h à 40°C sous agitation. On obtient des particules cœur-écorce d'une taille de 5 nm environ, avec des fonctions aminés en surface. La figure 4 annexée montre la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane, mesurée dans le DEG par PCS ; moyenne : 4,9 nm.
Ensuite 3,135g de DTPABA sont dispersés dans 150 mL de diméthyl sulfoxide (DMSO). Puis les 750 mL de solution de cœurs d'oxyde de gadolinium sont ajoutés à la solution de DTPABA. Le mélange est agité pendant 24h.
Les nanoparticules sont ensuite précipitées par centrifugation dans quatre bidons de 500 mL d'acétone. Puis l'acétone est retirée, et les particules sont redispersées dans 100 mL d'eau au total. Elles sont ensuite purifiées par filtration tangentielle. Les impuretés de grande taille sont retirées par filtration à l'aide d'une seringue, à travers une membrane de 0,2 μη .
On obtient des particules d'une taille de 5,5 nm environ. La figure 5 annexée montre la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane, fonctionnalisés DTPABA, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 5,6 nm.
La figure 6 annexée montre le suivi de la synthèse en granulométrie : en trait mixte
(— ) la distribution de taille des cœurs seuls ; en trait plein épais (— ) la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane ; en trait plein fin (— ) la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane et fonctionnalisés DTPABA.
La figure 7 annexée montre l'image en TEM des particules fonctionnalisées DTPABA ; les tailles observées sont comprises entre 4 et 6 nm.
La solution aqueuse de nanoparticules peut être conservée plusieurs mois au réfrigérateur après lyophilisation, dans des piluliers scellés hermétiquement.
L'analyse chimique réalisée par Spectroscopie de masse - plasma couplé par induction (ICP-MS) au Service Central d'Analyse de Solaize, donne les résultats suivants en pourcentages atomiques : carbone 70,6%, azote 14,3%, gadolinium 4,9%, Exemple 3. Dissolution du cœur des particules d'oxyde de gadolinium fonctionnalisées DTPABA à l'aide d'acide chlorhydrique Aux particules de l'exemple 2, dispersées dans l'eau, on ajoute de l'acide chlorhydrique concentré jusqu'à l'obtention d'un pH égal à 2,5. On laisse agiter une nuit.
La solution est purifiée par filtration tangentielle, pour éliminer les ions Gd3+ qui ont été dissous à partir du cœur des particules. On obtient des particules d'une taille de 3,5 nm environ. La figure 8 annexée montre la distribution de taille des particules diminuées à l'acide chlorhydrique, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 3,4 nm.
Le signal des particules en relaxométrie ri=l/Ti a diminué de 27%. Une importante attaque chimique a été observée avec dissolution forcée par l'attaque acide. La forte diminution de la relaxométrie le confirme.
D'autre part, l'analyse chimique réalisée par EDX donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 22,1%. Par rapport aux particules de l'exemple 2, on observe que 54% du gadolinium a été dissous par l'attaque acide.
Exemple 4. Dissolution du cœur des particules d'oxyde de gadolinium fonctionnalisées DTPABA à l'aide de DTPA libre
Aux particules de l'exemple 2, dispersées dans l'eau, on ajoute du DTPA libre en large excès. On ajuste le pH de la solution à 7. On laisse agiter une nuit.
La solution est purifiée par filtration tangentielle, pour éliminer les ions Gd3+ qui ont été dissous à partir du cœur des particules, et complexés par le DTPA libre. On obtient des particules d'une taille de 4 nm environ. La figure 9 annexée montre la distribution de taille des particules diminuées avec ajout de DTPA, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 4,3 nm.
De plus le signal des particules en relaxométrie r\ a diminué de 71% par rapport aux particules de l'exemple 2. Nous observons une attaque chimique très importante du cœur par dissolution forcée par la complexation. Une perte des Gd3+ complexés sur les DTPA greffés en surface est aussi probable, ce qui explique la plus forte diminution du signal en relaxométrie par rapport à l'exemple 3.
D'autre part, l'analyse chimique réalisée par EDX donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 10,8%. Par rapport aux particules de l'exemple 2, on observe que 78%o du gadolinium a donc été éliminé par la complexation du DTPA. Pour évaluer la perte des Gd complexés sur les DTPA greffés en surface, il a été choisi d'ajouter de nouveaux ions Gd3+ pour remplir à nouveau ces complexes. On dissout dans de l'eau une quantité d'ions Gd3+ équivalente à ce qu'on avait perdu dans l'étape précédente. Le pH de cette solution est ramené à 6,5. Puis on ajoute cette solution aux nanoparticules de taille diminuée. On laisse agiter une nuit.
La solution est purifiée par filtration tangentielle, pour éliminer les ions Gd3+ qui n'ont pas été complexés par le DTPA. On obtient des particules d'une taille de 3,5 nm environ. La figure 10 annexée montre la distribution de taille des particules diminuées avec ajout de DTPA, puis avec ajout de Gd3+, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 3,7 nm.
De plus le signal des particules en relaxométrie rl a augmenté de 123% par rapport aux particules de taille diminuée. Nous observons donc un remplissage des DTPA restés vides avec les ions Gd3+ apportés à la solution. La taille des particules reste quasiment inchangée. La figure 1 1 résume les expériences de diminution de tailles précédentes : en trait plein épais (— ) la distribution de taille des particules initiales ; en trait plein fin (— ) la distribution de taille des particules diminuées avec HC1 ; en trait mixte (— ) la distribution de taille des particules diminuées avec le DTPA libre. Exemple 5. Dissolution des cœurs d'oxyde de gadolinium enrobés polysiloxanc, directement à l'aide d'un ajout de DTPABA en large excès
Des particules sont synthétisées selon le protocole décrit dans l'exemple 2, en faisant toutefois varier la quantité de DTPABA ajoutée pour fonctionnalisation. Cette quantité varie d'un ratio DTPABA/APTES de 0,5 à 3. Le nombre d'APTES est choisi comme paramètre car il représente le nombre de fonctions potentiellement réactives à la surface des particules.
La figure 23 annexée montre la variation de la taille (à gauche) et du signal de relaxométrie (à droite), avec le nombre de DTPABA ajouté pour fonctionnalisation. Le signal en relaxométrie est mesuré en solution aqueuse diluée par 10. Pour les quantités de DTPABA faibles, les nanoparticules conservent une grande taille. Pour les quantités de DTPABA élevées, en revanche, la taille des particules vue en PCS diminue, car le cœur des particules se dissout. Pour les valeurs de 2 et 3 DTPABA/APTES, le cœur des particules est entièrement détruit, et la taille des particules stagne à 2 nm environ. Le signal en relaxométrie des particules diminue proportionnellement à la taille, ce qui traduit la diminution proportionnelle de la quantité de gadolinium présent dans les cœurs. Exemple 6. Fonctionnalisation des cœurs d'oxyde de gadolinium avec DOTA-NHS et purification
Figure imgf000031_0001
Autour des cœurs d'oxyde de gadolinium de l'exemple 1. une couche de polysiloxane fonctionnalisé est synthétisée par voie sol-gel. Pour ce faire, la solution de cœurs de 750 mL est portée à 40°C dans un bain d'huile, sous agitation. 787 d'APTES couplé à 0,75 mg de fluorescéine isothiocyanate (FITC), 502 μΐ. de TEOS et 1913 iL d'une solution aqueuse de triéthylamine à 0, 1 mol/L sont ajoutés à la solution de cœurs. Ces ajouts sont répétés une deuxième fois après 24h d'attente, et une troisième fois après 48h d'attente. La solution est laissée ensuite 48h à 40°C sous agitation. On obtient des particules cœur-écorce d'une taille de 5 nm environ, avec des fonctions aminés en surface. La figure 12 annexée montre la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane, mesurée dans le DEG par PCS ; moyenne : 4,7 nm.
1 ,12 g de DOTA-NHS sont dispersés dans 20 mL d'éthanol anhydre. Puis 100 mL de la solution de cœurs d'oxyde de gadolinium sont ajoutés à la solution de DOTA-NHS. Le mélange est agité pendant 24h.
Les nanoparticules sont ensuite précipitées dans 500 mL d'acétone. Puis l'acétone est retirée, et les particules sont redispersées dans 20 mL d'eau. Elles sont ensuite purifiées par filtration tangentielle. Les impuretés de grande taille sont retirées par filtration à l'aide d'une seringue, à travers une membrane de 0,2 μηι. On obtient des particules d'une taille de 7 nm environ. La figure 13 annexée montre la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane, fonctionnalisés DOTA-NHS, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 6,8 nm.
La figure 14 annexée montre le suivi de la synthèse précédente en granulométrie : en trait plein fin (— ) la distribution de taille des cœurs seuls ; en trait mixte (— ) la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane ; en trait plein épais (— ) la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane et fonctionnalisés DOTA-NHS. Exemple 7. Dissolution du cœur des particules d'oxyde de gadolinium fonctionnalisées DOTA-NHS à l'aide de DTPA libre Aux particules de l'exemple 6, dispersées dans l'eau, on ajoute du DTPA libre en large excès. On ajuste le pH de la solution à 7. On laisse agiter une nuit.
La solution est purifiée par filtration tangentielle, pour éliminer les ions Gd3+ qui ont été dissous à partir du cœur des particules. On obtient des particules d'une taille de 3,5 nm environ. La figure 15 annexée montre la distribution de taille des particules diminuées avec ajout de DTPA, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 3,7 nm.
De plus le signal des particules en relaxométrie rl a diminué de 84%, ce qui traduit une forte diminution de la quantité de gadolinium présent dans les particules.
La figure 16 annexée montre l'expérience de diminution de tailles : en trait plein épais (— ) la distribution de taille des particules initiales ; en trait plein fin (— ) la distribution de taille des particules diminuées avec le DTPA libre.
Exemple 8. Fonctionnalisation des coeurs d'oxyde de gadolinium avec du 1,4,7,10- Tetraazacyclo dodecane-l,4,7,10-tetraacetic acid anhydre (DOTA anhydre)
Figure imgf000032_0001
Autour des cœurs d'oxyde de gadolinium de l'exemple 1, une couche de polysiloxane fonctionnalisé est synthétisée par voie sol-gel. Pour ce faire, la solution de cœurs de 750 mL est portée à 40°C dans un bain d'huile, sous agitation. 787 d'APTES couplé à 0,75 mg de FITC, 502 de TEOS et 1913 d'une solution aqueuse de triéthylamine à 0,1 mol/L sont ajoutés à la solution de cœurs. Ces ajouts sont répétés une deuxième fois après 24h d'attente, et une troisième fois après 48h d'attente. La solution est laissée ensuite 48h à 40°C sous agitation. On obtient des particules cœur-écorce d'une taille de 4,5 nm environ, avec des fonctions aminés en surface. La figure 17 annexée montre la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane, mesurée dans le DEG par PCS ; moyenne : 4,7 nm. La taille des particules est aussi mesurée par TEM. La figure 18 annexée montre l'image en TEM des cœurs enrobés polysiloxane, dispersées à l'aide du greffage de polyéthylène glycol ; les tailles observées sont comprises entre 4 et 5 nm. Ensuite 0,619 g de DOTA anhydre sont dispersés dans 20 mL de DMSO. Puis 100 mL de la solution de cœurs d'oxyde de gadolinium sont ajoutés à la solution de DOTA anhydre. Le mélange est agité pendant 24h.
Exemple 9. Purification des particules d'oxyde de gadolinium fonctionnalisées DOTA anhydre
Les nanoparticules de l'exemple 8 sont précipitées dans 500 mL d'acétone. Puis l'acétone est retirée, et les particules sont redispersées dans 20 mL d'eau. Elles sont ensuite purifiées par fîltration tangentielle. Les impuretés de grande taille sont retirées par fîltration à l'aide d'une seringue, à travers une membrane de 0,2 μηι. On obtient des particules d'une taille de 6,5 nm environ. La figure 19 annexée montre la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane, fonctionnalisés DOTA anhydre, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 6,3 nm.
La figure 1 annexée montre l'image en TEM des cœurs enrobés polysiloxane, fonctionnalisés DOTA anhydre ; les tailles observées son comprises entre 3 et 5 nm. Les molécules de DOTA ne sont pas visibles au TEM, on ne voit que les cœurs enrobés.
La figure 20 annexée montre le suivi de la synthèse en granulométrie : en trait plein épais (— ) la distribution de taille des cœurs seuls ; en trait plein fin (— ) la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane ; en trait mixte (— ) la distribution de taille des cœurs enrobés polysiloxane et fonctionnalisés DOTA anhydre.
L'analyse chimique réalisée par EDX donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 57,2%.
La solution de nanoparticules peut être conservée plusieurs mois au réfrigérateur après lyophilisation.
Exemple 10. Dissolution du cœur des particules d'oxyde de gadolinium fonctionnalisées DOTA anhydre à l'aide de DTPA libre
Une solution de DTPA dans l'eau est préparée, puis le pH de la solution est ramené à 6. Aux particules de l'exemple 8, dispersées dans le mélange de solvants DEG et DMSO, on ajoute de la solution de DTPA en large excès. On laisse agiter une nuit.
La solution est purifiée par fîltration tangentielle, pour éliminer les ions Gd3+ qui ont été dissous à partir du cœur des particules. Par la même occasion les particules sont passées dans l'eau. On obtient des particules d'une taille de 3,5 nm environ. La figure 21 annexée montre la distribution de taille des particules diminuées avec ajout de DTPA, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 3,6 nm.
La figure 2 annexée montre l'image en TEM des particules dont on a diminué la taille. L'image a été prise dans les mêmes conditions que les précédentes. De plus l'analyse chimique locale indique la présence de Gadolinium en quantité significative à l'endroit observé, mais aucune particule n'y est visible. Les particules n'ont donc plus de cœur cristallisé à ce stade.
La figure 22 annexée montre l'expérience de diminution de tailles : en trait plein épais (— ) la distribution de taille des particules initiales ; en trait plein fin (— ) la distribution de taille des particules diminuées avec le DTPA libre.
De plus le signal des particules en relaxométrie rl a diminué de 71%. Ceci traduit une forte diminution de la quantité de gadolinium présent dans les particules.
D'autre part, l'analyse chimique réalisée par EDX donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 24,1%. Par rapport aux particules de l'exemple 9, on observe que 58% du gadolinium a donc été dissous par la complexation du DTPA.
Exemple 11. Synthèse directe de nanoparticules fonctionnalisées DOTA anhydre, sans cœur
Des nanoparticules sont synthétisées selon le protocole décrit dans l'exemple 8, mais la fonctionnalisation de surface se fait avec un large excès de DOTA anhydre (2 DOTA/Gd). Ainsi tous les atomes de Gd sont directement complexés par des molécules de DOTA, et il reste une partie significative de DOTA non complexés.
La solution est placée dans une membrane de dialyse de 4-6kDa, et est purifiée par dialyse dans un volume d'eau permutée dix fois plus important. Le bain de dialyse est renouvelé deux fois, après 24h et 48h. La dialyse est arrêtée après 72h.
Le contenu des membranes de dialyse est récupéré. La solution apparaît légèrement trouble, elle est donc filtrée à travers un filtre 0,2 μιη pour éliminer les impuretés et les particules de grande taille. La taille finale des nanoparticules est d'environ 3 nm. La figure 24 annexée montre la distribution de taille des particules fonctionnalisées DOTA anhydre, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 2,7 nm.
D'autre part, lorsque les particules sont centrifugées dans des tubes de Vivaspin, on observe qu'elles ne sont pas retenues par une membrane de lOkDa. Elles sont en revanche retenues par une membrane de 5kDa.
L'analyse chimique réalisée par EDX donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 29,3%. Enfin, les images TEM montrent qu'aucun cœur n'est visible dans ces particules, alors que l'analyse chimique locale prouve la présence de gadolinium dans ces zones.
La solution de nanoparticules peut être conservée plusieurs mois au réfrigérateur après lyophilisation.
Exemple 12. Dopage du signal magnétique des particules fonctionnalisées DOTA anhydre, sans coeur
Du chlorure de gadolinium est dissous dans de l'eau, et le pH de la solution est ramené à 6. Les ions Gd3+ ainsi obtenus sont ajoutés aux particules de l'exemple 1 1 , en excès. On laisse la solution agiter pendant 24h. On purifie la solution par filtration tangentielle pour éliminer les ions Gd3+ qui ne se seraient par fixés aux molécules de DOTA.
Après le traitement aux ions Gd3+, le signal en relaxométrie rl des particules a augmenté de 66%. D'autre part, l'analyse chimique réalisée par EDX sur ces particules donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 47,5%, soit une augmentation de 62%» par rapport aux particules de l'exemple 1 1. Ces deux mesures concordantes montrent qu'on avait bien des molécules de DOTA libres à la surface des particules, et que ces DOTA ont pu servir à la complexation des ions Gd3+ libres..
Exemple 13. Angiographie
Un lot lyophilisé de nanoparticules de l'exemple 12, contenant 7 μπιοΐ de gadolinium, a été redispersé dans 90μΙ, d'eau. Un rat Fisher a été anesthésiés sous isofiurane® (anesthésique gazeux), et la solution de nanoparticules a été injectée dans la veine caudale. Le rat a ensuite subi un examen IRM (séquence tl) pour une étude angiographique. Une augmentation importante du signal a été observée au niveau de l'artère cérébrale moyenne chez cet animal comparé aux animaux contrôle. Exemple 14. Dopage à l'europium des particules fonctionnalisées DOTA anhydre, sans cœur
Du chlorure d'europium est dissous dans de l'eau, et le pH de la solution est ramené à 6. Les ions Eu3+ ainsi obtenus sont ajoutés aux particules de l'exemple 1 1 , en excès. On laisse la solution agiter pendant 24h. On purifie la solution par filtration tangentielle pour éliminer les ions Eu3+ qui ne se seraient par fixés aux molécules de DOTA.
Après le traitement aux ions Eu3+, l'analyse chimique réalisée par EDX sur ces particules donne un rapport atomique gadolinium/silicium de 20,1%, et un rapport europium/silicium de 28,8%. Cette mesure montre qu'on avait bien des molécules de DOTA libres à la surface des particules, et qu'elles ont pu être chélatées par ajout d'ions
Eu libres. D'autre part, le rapport total terres rares/silicium obtenu est de 48,9%, ce qui est cohérent avec le rapport terres rares/silicium des particules de l'exemple 12, qui est de 47,5%. Ceci donne une estimation du nombre total de DOTA à la surface des particules.
Une mesure de fluorescence en temps résolu montre que les ions Eu3+ se trouvent principalement à l'état complexé dans la solution. La figure 25 annexée montre ce spectre de fluorescence. L'appareil utilisé pour la fluorescence en temps résolu est un appareil réalisé par la société AXINT, pour les besoins spécifiques du laboratoire.
Des expériences de dopage similaires ont été réalisées avec des ions cuivre et gallium, et ont montré qu'il était possible de complexer ces ions également dans les DOTA libres. Exemple 15. Synthèse directe de nanoparticules fonctionnalisées DOTA anhydre, sans cœur, avec saturation des DOTA de surface en gadolinium
Des nanoparticules sont synthétisées selon le protocole décrit dans l'exemple 8, mais la fonctionnalisation de surface se fait avec un large excès de DOTA anhydre (2 DOTA/Gd). Ainsi tous les atomes de Gd sont directement consommés par les complexes de DOTA.
Les nanoparticules sont précipitées dans des bidons de 500 mL d'acétone. Puis l'acétone est retirée, et les particules sont redispersées dans de l'eau. Elles sont ensuite purifiées par filtration tangentielle. Les impuretés de grande taille sont retirées par filtration à l'aide d'une seringue, à travers une membrane de 0,2 μηι. La figure 31 annexée montre la distribution de taille des particules fonctionnalisées DOTA anhydre, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 2,8 nm.
La solution de nanoparticules peut être conservée plusieurs mois au réfrigérateur après lyophilisation.
Exemple 16. Marquage cellulaire
Des lymphocytes humains T2 (ATCC n° CRL-1992™) ont été incubés dans l'HBSS (Hank's Balanced Sait Solution) pendant lh avec les nanoparticules de l'exemple 15 (NP15), avec des concentrations en gadolinium de 0,2 ; 0,5 et ImM. Après incubation, les cellules ont été lavées 2 fois dans l'HBSS.
La viabilité a été évaluée par numération sur grille de Malassez après ajout de bleu Trypan (dilution au l/20enle). Pour les trois concentrations en gadolinium présentes dans le milieu d'incubation, la viabilité des cellules était bonne car supérieure à 90%. Dans cette gamme de concentrations, les nanoparticules de l'exemple 15 n'étaient pas toxiques.
La figure 29 annexée montre le taux de viabilité des lymphocytes T2 pour chaque condition d'incubation.
Après évaluation de la viabilité, les cellules ont été fixées dans une solution de paraformaldéhyde à 4% puis l'efficacité de marquage a été évaluée par mesure du temps de relaxation longitudinal TV Plus ri=l/Ti était élevée, meilleur était le marquage. Le marquage avec les nanoparticules de l'exemple 15 était donc meilleur qu'avec les complexes Gd-DOTA. A la concentration de ImM, l'augmentation de signal était de 15% avec 50 000 cellules/mm3. La figure 30 annexée montre l'efficacité de marquage des particules de l'exemple 15 en comparaison avec les complexes Gd-DOTA, et en fonction de la concentration en gadolinium.
D'autre part, la relaxivité des particules de l'exemple 15 a été mesurée en relaxométrie, les quantités de gadolinium réelles étant mesurées par ICP, sur un appareil Varian 710-ES. On obtient une relaxivité ri (de l'espèce gadolinium) = 1 1,4 s"'mM"' (de gadolinium)"1. s"1 à 50MHz, soit environ trois fois plus élevée que celle du complexe Gd- DOTA seul (ramenée à l'espèce gadolinium), qui est de 3,8 s"'mM"' (de gadolinium)"1. s"1 à 50MHz.
Exemple 17. Synthèse de nanoparticules fonctionnalisées DOTA anhydre, sans cœur, en deux étapes successives
Des nanoparticules sont synthétisées selon le protocole décrit dans l'exemple 8, mais la fonctionnalisation de surface se fait avec une quantité de DOTA égale à 0,6 DOTA/Gd.
Une solution de 240 mL d'eau contenant du DTPA en très large excès a été préparée. Le pH de la solution a été ajusté à 6,5. Cette solution a été ajoutée à 160 mL de la solution de nanoparticules. Le mélange a été laissé sous agitation pendant 48h. Ainsi le DTPA libre en très large excès a permis de dissoudre le cœur des particules par complexation forcée.
La solution a ensuite été purifiée par filtration tangentielle. Les impuretés de grande taille ont été retirées par filtration à l'aide d'une seringue, à travers une membrane de 0,2 μηι. La figure 32 annexée montre la distribution de taille des particules fonctionnalisées DOTA anhydre, mesurée dans l'eau par PCS ; moyenne : 3,5 nm.
La solution de nanoparticules peut être conservée plusieurs mois au réfrigérateur après lyophilisation. D'autre part, la relaxivité des particules a été mesurée en relaxométrie, les quantités de gadolinium réelles étant mesurées par ICP. On obtient une relaxivité rl (de l'espèce gadolinium) = 1 1 ,8 s 'mM"1 (de gadolinium)" '.s'1 à 50MHz, soit environ trois fois plus élevée que celle du complexe Gd-DOTA seul (ramenée à l'espèce gadolinium), qui est de 3,8 s"'mM"' (de gadolinium)"'. s"1 à 50MHz.
Exemple 18. Synthèse de cœur d'oxyde de lutécium
Une solution est préparée par dissolution d'une quantité de 2,25 g de sel de chlorure de lutécium (LuCl3, 6H20) dans un volume de 245 mL de DEG. A la solution obtenue, un ajout de 245 mL d'une solution de soude à 0,08 mol/L dans du DEG est effectué, à température ambiante, en lOh.
La taille finale des nanoparticules est d'environ 5 nm. La figure 26 annexée montre la distribution de tailles des cœurs d'oxyde de lutécium, mesurée dans le DEG par PCS ; moyenne : 5,0 nm.
Exemple 19. Fonctionnalisation des cœurs d'oxyde de lutécium avec du DTPABA
Les 490 mL de solution de cœurs de lutécium de l'exemple 18 sont dilués par deux, avec 490 mL de DEG. Autour de ces cœurs, une couche de polysiloxane fonctionnalisé est synthétisée par voie sol-gel. Pour ce faire, la solution de cœurs est portée à 40°C dans un bain d'huile, sous agitation. 81 1 d'APTES, 516 μί de TEOS et 1965 μΐ, d'une solution aqueuse de triéthylamine à 0,1 mol/L sont ajoutés à la solution de cœurs. La solution est laissée ensuite 48h à 40°C sous agitation.
On obtient des particules cœur-écorce d'une taille de 8 nm environ, avec des fonctions aminés en surface. La figure 27 annexée montre la distribution de tailles des cœurs d'oxyde de lutécium enrobés polysiloxane ; moyenne : 8,3 nm.
Ensuite 0,1 g de DTPABA est dispersé dans 2 mL de DMSO. Puis 12 mL de la solution de cœurs sont ajoutés à la solution de DTPABA. Le mélange est agité pendant 24h.
Les nanoparticules sont ensuite précipitées dans 100 mL d'acétone. Puis l'acétone est retirée, et les particules sont redispersées dans 20 mL d'eau. Elles sont ensuite purifiées par filtration tangentielle. On obtient des particules d'une taille de 2,5 nm environ. Le DTPABA, en large excès par rapport au lutécium (4 DTPABA/Lu), a dissous le cœur des particules en partie, d'où leur petite taille. La figure 28 annexée montre la distribution de tailles des particules fonctionnalisées DTPA ; moyenne : 2,4 nm.
La solution de nanoparticules peut être conservée plusieurs mois au réfrigérateur après lyophilisation. Exemple 20. Complexation des particules d'oxyde de lutécium avec des ions Gd
Du chlorure de gadolinium est dissous dans de l'eau, et le pH de la solution est ramené à 6. Les ions Gd3+ ainsi obtenus sont ajoutés aux particules de lutécium de l'exemple 19, en excès. On laisse la solution agiter 24h. On purifie la solution par filtration tangentielle pour éliminer les ions Gd3+ qui ne se seraient pas fixés aux molécules de DTPABA.
Les particules initiales de lutécium ne montraient aucun signal en relaxométne. En revanche, après le traitement aux ions Gd3+, un signal de Ti=130 ms apparaît en relaxométrie, après une dilution de la solution par 10. Cette observation confirme la présence de molécules de DTPABA greffées sur les particules, qui ont formé des complexes avec les ions Gd3+ ajoutés à la solution.

Claims

REVENDICATIONS
Nanoparticules caractérisées
(i) en ce qu'elles comprennent chacune
• une matrice polyorganosiloxane (POS) incluant des cations Mn+ (n=2 à 6) de préférence de terre rare, éventuellement en partie sous forme d'un oxyde et/ou d'un oxohydroxyde métallique (M), éventuellement associé à des cations dopants Dm+ (m=2 à 6), de préférence une terre rare différente de M, un actinide et/ou un élément de transition ;
• un greffon de fonctionnalisation C1 chélatant qui est :
* issu d'un chélatant C 1 ,
* lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C-,
* et en quantité suffisante pour pouvoir complexer tous les cations Mn+ et Dm+; le greffon C1 étant de préférence en excès par rapport aux cations Mn+ et Dm+; le chélatant Cl duquel le greffon C1 est issu correspondant à une ou plusieurs espèces différentes ;
• éventuellement un autre greffon de fonctionnalisation Gf* lié à la matrice POS par liaison covalente -Si-C-, Gf* pouvant être issu :
* d'un composé hydrophile,
* d'un composé comportant un principe actif PA1 ,
* d'un composé ciblant,
* d'un composé luminescent ;
(ii) en ce que leur diamètre di est compris entre 1 et 20 nm, de préférence entre 1 et 10 nm ;
(iii) et éventuellement en ce qu'elles sont porteuses d'un principe actif PA2, identique ou différent à PA1.
Nanoparticules en particulier selon la revendication 1 caractérisées en ce que la matrice POS de chaque nanoparticule est obtenue à partir d'une nanoparticule de diamètre do comprenant:
un cœur à base d'un oxyde et/ou un oxohydroxyde métallique (M), de préférence de terre rare, au moins en partie sous forme cationique Mn+ (n=2 à 6), éventuellement dopé par un dopant (D), de préférence une terre rare différente de M, un actinide et/ou un élément de transition ;
au moins une couche d'enrobage à base de POS ;
et, éventuellement un surenrobage à base d'un agent de fonctionnalisation, de préférence choisi parmi les chélatants de fonctionnalisation Cl aptes à séquestrer des cations et/ou les composés ciblants et/ou les composés comportant un principe actif PA1 et/ou les composés hydrophiles et/ou les composés luminescents ;
ladite nanoparticule étant soumise à une dissolution du cœur M, de préférence à l'aide d'un agent modificateur du pH et/ou d'un chélatant C2, identique ou différent à Cl, apte à complexer tout ou partie des cations Mn+ et Dm+, de sorte que le diamètre do de la nanoparticule est réduit à une valeur d| comprise entre 1 et 20 nm, de préférence entre 1 et 10 nm.
Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées par leur masse molaire (en kDa) supérieure ou égale à, dans un ordre croissant de préférence, 2,3,5, et inférieure ou égale à, dans un ordre croissant de préférence, 200,100,50,20,10.
Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées par la formule générale suivante :
[C1]» [R]b Si [0]c [OH]d [Mn+]e [Dm+]f [Gf*]g
avec :
♦ C1 sont des greffons de fonctionnalisation formés par des radicaux hydrocarbonés monovalents, identiques ou différents entre eux, chélatants et reliés chacun au Si par une liaison Si-C ;
♦ R sont des radicaux monovalents, identiques ou différents entre eux, constituant un greffon de fonctionnalisation relié au Si par une liaison Si-C, et comprenant de préférence un groupe hydrophile et au moins un atome N ou O ;
♦ Mn+sont des cations métalliques identiques ou différents entre eux avec n=2 à 6 ;
♦ Dm+sont des cations métalliques identiques ou différents entre eux avec m=2 à 6 ;
♦ Gf* sont des greffons de fonctionnalisation autres que C1 et formés par des radicaux hydrocarbonés monovalents, identiques ou différents entre eux, reliés chacun au Si par une liaison Si-C et pouvant être issu :
o d'un composé hydrophile ;
o d'un composé comportant un principe actif PA1 ; o d'un composé ciblant ;
o d'un composé luminescent ;
♦ a supérieur ou égal à 0,01 et inférieur ou égal à 0,8 ; avec de préférence a > d + e;
♦ b inférieur ou égal à 0,7 ; ♦ c supérieur ou égal à 0,5 et inférieur à 1,9 ;
♦ g supérieur ou égal à 0 et inférieur à 0,3 ;
♦ e+f supérieur ou égal à 0,01 et inférieur ou égal à 0,8 ;
♦ e+f inférieur ou égal à a ;
♦ a+b+2c+d+g =4 ;
♦ a+b+g compris entre 0,25 et 0,95.
5. Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées en ce qu'au moins 1% et de préférence au moins 10% des chélatants C1 ne sont pas complexés par des cations Mn+ et/ou Dm+.
6. Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées en ce que M et /ou D est un agent actif en imagerie et/ou en thérapie. 7. Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées en ce que les cations Mn+ et/ou Dm+ sont localisés à la surface des nanoparticules.
8. Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées en ce qu'elles ne comprennent pas de cœur cristallisé.
9. Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées par un rapport de % atomique [(M/Si) xlOO] compris entre 10 et 60, de préférence entre 25 et 40. 10. Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées en ce que la relaxivité par ion Mn+ est supérieure à 5 mM'1 (d'ion Mn+).s"' préférentiellement 10 mM"'(d'ion Mn+).s"' pour une fréquence de 20 MHz.
Nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisées en ce que la relaxivité ri par ion Mn+ à 60 MHz est supérieure à la relaxivité ri par ion Mn+ à 20 MHz.
Procédé d'obtention des nanoparticules selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a Synthèse de cœurs à base d'un oxyde et/ou un oxohydroxyde métallique (M), de préférence de terre rare, au moins en partie sous forme cationique Mn+ (n=2 à 6), éventuellement dopé par un dopant (D), de préférence une terre rare différente de M, un actinide et/ou un élément de transition ; cette synthèse consistant essentiellement à mélanger une base avec un sel de M dissous dans un solvant de préférence choisi dans le groupe comprenant les alcools ;
b Enrobage des coeurs de l'étape (a) par du polyorganosiloxane (POS) consistant essentiellement à mettre en œuvre une technique sol/gel d'hydrolyse-condensation d'espèces siliciques et d'alcoxysilanes, en présence d'un base ou d'un acide et éventuellement d'un principe actif PA1 et/ou PA2 ;
c Surenrobage de fonctionnalisation des cœurs enrobés de l'étape (b) consistant essentiellement à mettre en présence ces cœurs enrobés de l'étape (b) en présence d'un précurseur de greffons de fonctionnalisation C1, et éventuellement en présence d'un greffon de fonctionnalisation Gf* ;
d Purification des nanoparticules surenrobées/fonctionnalisées de diamètre do, de préférence par filtration tangentielle, dialyse et/ou par précipitation/ lavage ;
e Dissolution des cœurs M des nanoparticules surenrobées/fonctionnalisées de l'étape (c) consistant essentiellement à les mettre en présence d'un agent modificateur du pH et/ou d'un chélatant C2 apte à complexer tout ou partie des cations Mn+ et Dm+, de sorte que le diamètre do des nanoparticules est réduit à une valeur di comprise entre 1 et 20 nm, de préférence entre 1 et 10 nm ;
f Eventuel ajout d'un sel cationique destiné à être au moins en partie complexé par le chélatant C1 ;
les étapes (c), (d), (e), (f) pouvant être réalisées dans un ordre différent ou en même temps.
Suspension de nanoparticules selon l'une au moins des revendications 1 à 10 et/ou obtenues par le procédé selon la revendication 1 1. 14. Matière solide obtenue par élimination du liquide, de préférence par lyophilisation de la suspension selon la revendication 12.
15. Liquide injectable comprenant des nanoparticules selon l'une au moins des revendications 1 à 10 et/ou obtenues par le procédé selon la revendication 1 1 et/ou de la suspension selon la revendication 12 et/ou préparé à partir de la matière solide selon la revendication 13.
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