Développement d’une pharmacothérapie pour le traitement des articulations arthrosiques

Abstract

L’ostéoarthrose (OA) est une maladie complexe principalement caractérisée par la dégradation du cartilage protégeant les os. La douleur associée à l'arthrose limite les activités physiques et quotidiennes de plus de 300 millions de personnes dans le monde, représentant ainsi l’une des principales causes de handicap fonctionnel pour laquelle il n'existe à ce jour aucun traitement curatif disponible permettant de modifier le cours de la maladie (« disease-modifying OA-drug », DMOAD). Cependant, notre laboratoire a montré que les peptides R954 et BQ123, antagonistes des récepteurs BKB1 de la bradykinine et ETA de l’endothéline respectivement, améliorent la nociception articulaire et réduisent la dégradation du cartilage chez un modèle de rat arthrosique, bien que nécessitant des injections hebdomadaires sur huit semaines. En effet, la nature avasculaire du cartilage et l’importante clairance synoviale limite la distribution des médicaments et ainsi leur efficacité. C’est la raison pour laquelle il est indispensable de développer des systèmes de délivrance de médicaments (« drug delivery system », DDS) efficaces permettant le contrôle sélectif de la libération des médicaments à la fois dans l’espace et dans le temps pour in fine améliorer leur efficacité thérapeutique. Parmi ces technologies, les hydrogels et particulièrement les nanoparticules d’hydrogel ou nanogels (NGs) possèdent des caractéristiques intéressantes pour le traitement des pathologies osseuses et articulaires, telles qu’une matrice biopolymérique riche en eau mimant l’environnement extracellulaire des tissus ostéo-cartilagineux, l’adhésion tissulaire et la capacité de délivrer une grande quantité d’actifs de manière ciblée. Nous proposons donc dans cette thèse de développer des nanogels (NGs) biopolymériques, biocompatibles et biodégradables, pour l’administration locale et soutenue des peptides BQ123 et R954 au niveau du cartilage afin d’augmenter leur efficacité pour le traitement de l’OA. Nous avons ainsi dans un premier temps développé des nanogels « blancs » (sans peptide) à partir de biopolymères naturels, en particulier le chitosane et l'acide hyaluronique et étudié l'influence des paramètres de formulation sur les propriétés physicochimiques des nanogels obtenus ainsi qu’évalué leur biocompatibilité avec les principales cellules de l’articulation (chondrocytes, synoviocytes et ostéoblastes) et leur embryotoxicité sur le modèle de poisson-zèbre (Chapitre 2:) (Manivong et al. 2022). Les résultats ont montré que les nanogels de chitosane et d'acide hyaluronique, obtenus par gélation ionique, pouvaient constituer un système biocompatible et prometteur pour l'administration intra-articulaire des peptides BQ123 et R954 pour le traitement de l’arthrose. Puis, nous avons fonctionnalisé les peptides BQ123 et R954 sur le chitosane et l'acide hyaluronique respectivement, en utilisant la chimie de couplage EDC/NHS, afin d'assurer une libération prolongée des peptides dans l'articulation. Nous avons évalué la stabilité des nanogels peptidiques (contenant les peptides) et leur libération dans le liquide synovial sur une période de trois mois. Les résultats de cette étude ont rapporté un processus de déstabilisation des nanogels dans l'eau et le liquide synovial. Toutefois, les nanogels ont montré une libération lente et soutenue des peptides BQ123 et R954 permettant l’exercice de leur activité thérapeutique in vitro après sept jours de traitement (Chapitre 3:). Ainsi, l’ensemble des travaux réalisés au cours de cette thèse ont apporté la preuve de faisabilité de la conception des nanogels (NGs) biopolymériques à base de chitosane et d’acide hyaluronique et démontré leur potentiel comme système de délivrance de médicaments pour la délivrance ciblée et soutenue des peptides BQ123 et R954 pour le traitement de l’ostéoarthrose. Osteoarthritis (OA) is a complex disease of the joint characterized mainly by the degradation of the cartilage protecting the bones. The pain associated with osteoarthritis limits the physical and daily activities of over 300 million people worldwide, making it one of the main causes of functional disability, for which there is currently no disease-modifying OA-drug (DMOAD) available. However, our laboratory has shown that the peptides R954 and BQ123, antagonists of the bradykinin receptor BKB1 and the endothelin receptor ETA respectively, improve joint nociception and reduce cartilage degradation in an arthritic rat model, albeit requiring weekly injections over eight weeks. Indeed, the avascular nature of cartilage and high synovial clearance limit drug distribution and hence efficacy. It is hence of upmost importance to develop effective drug delivery systems (DDS) that can selectively control drug release in both space and time to ultimately improve therapeutic efficacy. Among these technologies, hydrogels and particularly hydrogel nanoparticles or nanogels (NGs) possess interesting characteristics for the treatment of bone and joint pathologies, such as a water-rich biopolymeric matrix mimicking the extracellular environment of osteo-cartilaginous tissue, tissue adhesion and the ability to deliver large quantities of active ingredients in a targeted manner. We therefore propose in this thesis to develop biopolymeric, biocompatible and biodegradable nanogels (NGs) for the local and sustained delivery of BQ123 and R954 peptides to cartilage in order to increase their efficacy for the treatment of OA. First, we developed "blank" (peptide-free) nanogels from natural biopolymers, i.e. chitosan and hyaluronic acid, and studied the influence of formulation parameters on the physicochemical properties of the resulting nanogels, as well as assessing their biocompatibility with the main joint cells (chondrocytes, synoviocytes and osteoblasts) and their embryotoxicity in the zebrafish model (Chapitre 2:) (Manivong et al. 2022). The results showed that chitosan and hyaluronic acid nanogels, obtained by ionic gelation, could constitute a biocompatible and promising system for the intra-articular delivery of peptides BQ123 and R954 for the treatment of osteoarthritis. Next, we functionalized the peptides BQ123 and R954 on chitosan and hyaluronic acid respectively, using EDC/NHS coupling chemistry, to ensure sustained release of the peptides in the joint. We assessed the stability of these nanogels as well as the peptide’s release into synovial fluid over a three-month period. Whilst we reported a destabilization process of the nanogels in water and synovial fluid, the nanogels showed a slow and sustained release of the BQ123 and R954, enabling them to exert their therapeutic activity in vitro after seven days of treatment (Chapitre 3:. Taken together, this work provides the proof-of-concept for the design of chitosan- and hyaluronic acid-based biopolymeric nanogels (NGs) and demonstrated their potential as a drug delivery system for the targeted and sustained delivery of BQ123 and R954 peptides for the treatment of osteoarthritis.