Soutenance de thèse de DAVID Marion
Titre de thèse
Développement de molécules vecteurs qui passent la barrière hémato-encéphalique pour la délivrance cérébrale d'agents thérapeutiques
Development of vector molecules that cross the blood brain barrier for brain delivery of drugs or therapeutic agents
Résumé de la thèse
Les maladies du système nerveux central (SNC) constituent l'une des principales causes de morbidité et de mortalité dans les pays occidentaux. Développer des molécules efficaces sur le plan thérapeutique et permettre leur distribution dans le SNC constituent les défis majeurs dans leur traitement. En effet, le SNC est doté d'un système vasculaire très particulier connu sous le nom de barrière hémato-encéphalique (BHE). Il s'agit d'une interface hautement sélective qui limite drastiquement le passage des agents thérapeutiques du compartiment sanguin vers le tissu cérébral. Cette barrière est constituée notamment de cellules endothéliales cérébrales, caractérisées par des jonctions serrées, des systèmes d'efflux actifs, mais aussi par l'expression de transporteurs et de récepteurs spécifiques permettant l'apport de nutriments essentiels au cerveau.
Le projet de thèse visait à exploiter ces systèmes de transport endogènes, en particulier ceux impliqués dans la transcytose médiée par récepteur (receptor-mediated transcytosis, RMT), afin d'acheminer de manière non invasive des agents thérapeutiques ou d'imagerie vers le cerveau ou d'autres tissus enrichis en récepteur cible.
La démarche expérimentale s'est articulée en quatre étapes :
1. La sélection de récepteurs RMT : le récepteur de la transferrine (TfR1) et le récepteur des lipoprotéines de basse densité (LDLR) apparaissent pertinents pour franchir la BHE ; des outils moléculaires et des modèles cellulaires ont été générés et validés.
2. L'identification de ligands spécifiques par crible haut débit (phage display), ont permis d'isoler des VHH (fragments variables de chaînes lourdes d'anticorps issus des camélidés) ciblant TfR1, ainsi que des peptides cycliques ciblant LDLR.
3. La caractérisation fonctionnelle des vecteurs candidats a démontré leur capacité à se lier spécifiquement à leur récepteur cible, à être internalisés par les cellules exprimant les cibles, en particulier les cellules d'origine endothéliale cérébrale.
4. L'évaluation in vivo de la bio-distribution a confirmé que certains conjugués vecteur-molécule rapporteur (fluorophore, peptide, oligonucléotide antisens ou protéine modèle) atteignent efficacement le cerveau (pour les VHH ciblant TfR1) ou certains tissus périphériques pathologiques (tumeurs) enrichis en récepteurs ciblés (pour les peptides ciblant LDLR).
Une attention particulière a été portée à l'optimisation des VHH anti-TfR1, notamment par l'analyse fine de leurs paramètres de liaison (affinité, valence, cinétique d'interaction) et leur impact sur la transcytose. Cette approche a permis d'établir des relations structure-fonction essentielles pour prédire et améliorer leur capacité à franchir efficacement la BHE.
Nos résultats démontrent la faisabilité d'une stratégie de type « cheval de Troie » pour la délivrance ciblée au SNC ou à la périphérie. Ils ouvrent la voie à l'utilisation de vecteurs moléculaires peptidiques ou VHH pour améliorer l'accès au SNC et/ou à la périphérie de biomolécules thérapeutiques, en particulier dans le contexte des maladies neurodégénératives, génétiques, oncologiques affectant le cerveau.
Thesis resume
Central nervous system (CNS) diseases are among the leading causes of morbidity and mortality in Western countries. Developing therapeutically effective molecules and enabling their distribution within the CNS are major challenges in their treatment. Indeed, the CNS is protected by a highly specialized vascular system known as the blood-brain barrier (BBB). This is a highly selective interface that drastically limits the passage of therapeutic agents from the bloodstream into brain tissue. The barrier is primarily composed of brain endothelial cells, characterized by tight junctions, active efflux systems, and the expression of specific transporters and receptors that facilitate the delivery of essential nutrients to the brain.
The aim of this thesis project was to exploit these endogenous transport systems, particularly those involved in receptor-mediated transcytosis (RMT), to non-invasively deliver therapeutic or imaging agents to the brain or other tissues enriched in the target receptor.
The experimental approach was structured into four main steps:
1. Selection of RMT receptors: The transferrin receptor (TfR1) and the low-density lipoprotein receptor (LDLR) were identified as relevant targets for crossing the BBB. Molecular tools and cellular models were generated and validated.
2. Identification of specific ligands via high-throughput screening (phage display): This led to the isolation of VHHs (single-domain antibody fragments derived from camelids) targeting TfR1, as well as cyclic peptides targeting LDLR.
3. Functional characterization of candidate vectors: These vectors demonstrated specific binding to their target receptors and were internalized by cells expressing the targets, particularly brain endothelial cells.
4. In vivo biodistribution evaluation: Certain vector-reporter molecule conjugates (fluorophore, peptide, antisense oligonucleotide, or model protein) were shown to effectively reach the brain (for VHHs targeting TfR1) or pathological peripheral tissues (tumors) enriched in the targeted receptors (for peptides targeting LDLR).
Special attention was given to optimizing anti-TfR1 VHHs, particularly through detailed analysis of their binding parameters (affinity, valency, interaction kinetics) and their impact on transcytosis. This approach enabled the establishment of essential structure-function relationships to predict and enhance their ability to efficiently cross the BBB.
Our results demonstrate the feasibility of a “Trojan horse” strategy for targeted delivery to the CNS or peripheral tissues. They pave the way for the use of peptide or VHH molecular vectors to improve CNS and/or peripheral access of therapeutic biomolecules, especially in the context of neurodegenerative, genetic, and oncological diseases affecting the brain.