Nanoparticules et thérapie photodynamique

Définition et mécanisme de la thérapie photodynamique

La thérapie photodynamique (PDT pour PhotoDynamic Therapy) est un traitement anti-tumoral utilisé cliniquement qui se base sur l’association d’une molécule photosensibilisatrice et de la lumière pour induire la mort des cellules cancéreuses. La molécule photosensibilisatrice est injectée au patient puis s’accumule plus ou moins préférentiellement dans les cellules cancéreuses. La zone tumorale est alors exposée à une autre lumière de longueur d’onde appropriée pour exciter le photosensibilisateur utilisé. Le photosensibilisateur génère alors des espèces 92 réactives de l’oxygène, en particulier du dioxygène à l’état de spin singulet, le 1O2 [203, 204]. Le dioxygène à l’état fondamental est à l’état de spin triplet du fait des deux électrons célibataires présents dans deux orbitales dégénérées Π* . Ses deux premiers états excités sont des états singulets (figure 45). Les transitions entre l’état fondamental et les deux premiers états excités sont interdites de spin. Il est donc difficile d’exciter directement le dioxygène pour qu’il passe dans son état singulet [203]. Figure 45: Schémas des trois premiers états d’énergie du dioxygène 1 Σg, 3 Σg et 1Δg avec leurs configurations électroniques [203]. L’utilisation d’un photosensibilisateur permet néanmoins de former de manière efficace du 1O2. La lecture du diagramme de Jablonski-Perrin présenté sur la figure 46 permet d’expliquer les processus photophysiques et photochimiques mis en jeu. Lorsque le photosensibilisateur absorbe l’énergie fournie par l’irradiation lumineuse, il passe dans un état excité (Sn). La molécule va tendre à revenir dans son état fondamental en émettant de l’énergie selon différents processus : En transférant l’énergie à une autre molécule par collision En convertissant l’énergie en chaleur En émettant un photon (fluorescence ou phosphorescence) 93 Figure 46 : Diagramme de Jablonski-Perrin [204]. Après absorption d’un photon d’énergie hv appropriée, le photosensibilisateur, initialement à l’état fondamental S0, va passer à un état excité (S1, S2… Sn). Par une succession de relaxations vibrationnelles et de conversions inter systèmes, il va se retrouver dans l’état singulet excité de plus basse énergie S1. Cet état S1 a une durée de vie très courte, de l’ordre de 10-10 s à 10-7 s. A partir de ce moment là, deux chemins sont possibles pour revenir à l’état fondamental S0 : soit il y a émission d’un photon par fluorescence, soit il y a conversion inter système vers l’état triplet T1. Cet état T1 possède une durée de vie plus longue, de l’ordre de 10-6 à 1 s. Le photosensibilisateur peut alors revenir vers S0 soit par émission de phosphorescence, soit en interagissant avec les molécules du milieu par deux types de Photoréactions : 94 Photoréactions de type I : Le photosensibilisateur à l’état triplet va réagir directement avec le substrat cellulaire par transfert d’électrons, de protons ou par formation de radicaux. Ce mécanisme est celui invoqué lorsque les photosensibilisateurs sont des complexes métalliques (cobalt (III), nickel (II), ruthénium (II) par exemple) [205, 206]. Photoréactions de type II : La plupart des photosensibilisateurs utilisés en PDT, en particulier les porphyrines, agissent selon un mécanisme de photoréaction de type II. L’état triplet T1 transfère son énergie au dioxygène. Si cette énergie est suffisante alors celui-ci peut passer à l’état singulet 1O2. Lors de l’excitation du dioxygène, deux états d’énergie sont accessibles (figure 45). L’état 1 Σg a une durée de vie extrêmement courte (inférieure à la nanoseconde) et se désexcite immédiatement vers l’état 1Δg. C’est cet état de l’oxygène alors appelé oxygène singulet ou 1O2 qui est responsable de la mort des cellules cancéreuses. Sa durée de vie en milieu aqueux est d’environ 2 à 3µs. Dans le cytoplasme, sa durée de vie diminue à 100 ns à cause de sa grande réactivité. Son rayon d’action maximal a été estimé à 30 nm [207]. Il ne peut donc pas diffuser vers des cellules non cancéreuses avant de réagir. Le 1O2 peut réagir avec de nombreux substrats cellulaires comme les acides aminés (tryptophane, tyrosine, histidine, méthionine et cystéine sont particulièrement réactifs avec le 1O2), les nucléosides constituant l’ADN (principalement la guanine) ou encore les lipides insaturés [208]. Ces réactions mènent à trois voies d’éradication de la tumeur (figure 47) [209-211]: Les cellules tumorales vont être détruites directement par nécrose ou par apoptose, deux voies menant à la mort de la cellule. La réaction du 1O2 avec ses substrats va aboutir à la destruction des organites ainsi qu’à la 95 destruction des membranes plasmiques, et entraîner la nécrose de la cellule. La réaction du 1O2 dans les mitochondries va entraîner un relargage du cytochrome c, suivi de l’activation des cascades qui entraîne l’apoptose de la cellule, La vascularisation de la tumeur va être détruite, ce qui prive la tumeur de l’oxygène et des nutriments nécessaires à sa survie et sa croissance, L’induction d’une réponse inflammatoire et immunitaire du patient contre les cellules cancéreuses entraîne un mécanisme de défense interne du patient, en particulier contre métastases qui pourraient se former.