The use of nanocarriers for hydrophobic photosensitizers, in the context of photodynamic therapy (PDT) to improve pharmacokinetics and bio-distribution, is well-established. However, the mechanisms at play in the internalization of nanocarriers are not well-elucidated, despite its importance in nanocarrier design. In this study, we focus on the mechanisms involved in copolymer poly(ethylene oxide)-block-poly(ε-caprolactone) PEO-PCL and poly(ethylene oxide)-block-poly styrene PEO-PS micelles - membrane interactions through complementary physico-chemical studies on biomimetic membranes, and biological experiments on two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) cell cultures. Förster Resonance Energy Transfer measurements on fluorescently-labelled lipid vesicles, and flow cytometry on two cancerous cell lines enabled the evaluation in the uptake of a photosensitizer, Pheophorbide a (Pheo), and copolymer chains towards model membranes, and cells, respectively. The effects of calibrated light illumination for PDT treatment on lipid vesicle membranes, i.e., leakage and formation of oxidized lipids, and cell viability, were assessed. No significant differences were observed between the ability of PEO-PCL and PEO-PS micelles in delivering Pheo to model membranes, but Pheo was found in higher concentrations in cells in the case of PEO-PCL. These higher Pheo concentrations did not correspond to better performances in PDT treatment. We demonstrated that there are subtle differences in PEO-PCL and PEO-PS micelles for the delivery of Pheo.

Photodynamic therapy is a technique already used in ophthalmology or oncology. It is based on the local production of reactive oxygen species through an energy transfer from an excited photosensitizer to oxygen present in the biological tissue. This review first presents an update, mainly covering the last five years, regarding the block copolymers used as nanovectors for the delivery of the photosensitizer. In particular, we describe the chemical nature and structure of the block copolymers showing a very large range of existing systems, spanning from natural polymers such as proteins or polysaccharides to synthetic ones such as polyesters or polyacrylates. A second part focuses on important parameters for their design and the improvement of their efficiency. Finally, particular attention has been paid to the question of nanocarrier internalization and interaction with membranes (both biomimetic and cellular), and the importance of intracellular targeting has been addressed.

La thérapie photodynamique (PDT), une thérapie basée sur l'irradiation de molécules photosensibilisatrices pour générer un stress oxydant, est déjà utilisée comme traitement de certaines pathologies. Très souvent, les photosensibilisateurs utilisés sont des molécules fortement hydrophobes qui s'agrègent en milieux aqueux. De ce fait, utilisées seules, elles nécessitent d'être injectées à des concentrations élevées, entraînant un risque de photosensibilisation générale. Pour diminuer cet effet secondaire et rendre le traitement plus efficace, il est possible d'encapsuler ces molécules. Des travaux précédant au sein du laboratoire des IRMCP ont permis le développement de vecteurs à base de copolymères à blocs pour l'encapsulation d'un photosensibilisateur, le phéophorbide-a. Ces travaux ont montré une efficacité de certains de ces vecteurs en conditions PDT sur des cultures cellulaires et ont ouvert des questions sur les processus de réponse cellulaire. L'objectif de ce doctorat était de développer des outils permettant de mieux comprendre les mécanismes ayant lieu lors de l'utilisation de nanovecteurs à base de copolymères à blocs encapsulant du phéophorbide-a et lors de l'irradiation lumineuse du photosensibilisateur. Les nanovecteurs étudiés étaient des micelles formulées à base de trois copolymères différents, le PEO-PCL, le PEO-PLA et le PEO-PS. Pour simplifier le système étudié, nous avons choisi d'utiliser des modèles de membranes pour simuler la cible biologique, des liposomes (ou vésicules lipidiques). En utilisant les propriétés de fluorescence du phéophorbide-a, nous avons pu obtenir les constantes d'affinité du photosensibilisateur pour les micelles et pour les vésicules lipidiques, puis évaluer le passage du phéophorbide-a des micelles vers les vésicules. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux phénomènes en jeu lors de l'irradiation du photosensibilisateur. Nous avons pu estimer la production relative d'oxygène singulet en fonction du type de micelles utilisé. En suivant la fuite d'une sonde fluorescente contenue dans les liposomes, permettant ainsi de remonter à leur perméabilité, il a été possible mesurer les effets de la production d'oxygène singulet sur l'intégrité de la membrane des liposomes. De manière complémentaire, nous avons suivi l'oxydation des lipides constituant les liposomes durant l'irradiation du phéophorbide-a par spectrométrie de masse. Ces résultats combinés nous ont permis de voir quels étaient les paramètres influençant l'efficacité des micelles encapsulant un photosensibilisateur après irradiation et d'établir un classement de ceux ayant le plus d'effets sur l'intégrité de membranes modèles parmi ceux étudiés.