Development of 2-dimension microscale separation system and technology for characterization of nanoparticles towards nanomedicine applications

Ce projet vise à développer un nouveau concept en science de la séparation et un nouveau système appelé magnéto-électrographie 2D à l’échelle microscopique (2D-ME). Ce concept permettra deux dimensions de migration orthogonale simultanées dans le même microcanal : l’électrophorèse capillaire (EC) sous un champ électrique élevé et la magnétophorèse sous un puissant gradient de champ magnétique. Ce nouveau concept devrait être mieux adapté à la caractérisation de la taille, de la charge et de la forme des nano-objets (par exemple, les nanoparticules fonctionnalisées).

Les nanoparticules (NP), y compris les nanoparticules magnétiques (MNP), jouent un rôle important dans le diagnostic, les systèmes d’administration de médicaments et la nanomédecine. En particulier pour les MNP, la taille est également un paramètre clé lors de leur utilisation comme agents de contraste en imagerie par résonance magnétique ou en radiosensibilisation tumorale, pour l’hyperthermie magnétique dédiée à l’administration de médicaments thermosensibles ou au traitement du cancer [1]. Pour chaque famille de PMN, il y a souvent une coexistence de diverses sous-populations et interférences (en particulier dans les fluides biologiques) avec des propriétés physiques qui se chevauchent, ce qui rend difficile leur séparation et leur caractérisation fines. Cela nécessite des méthodes qualifiées pour bien séparer leurs sous-populations et les caractériser, afin d’améliorer leur synthèse pour obtenir la qualité souhaitée des MNP, ce qui est obligatoire pour les applications biomédicales et les systèmes d’administration de médicaments.

Récemment, une attention particulière a été accordée aux MNP anisotropes aux formes allongées telles que les nanotiges ou les nanochaînes, car ils présentent des propriétés magnétiques améliorées pour l’imagerie par résonance magnétique et l’hyperthermie magnétique par rapport à leurs homologues sphériques [2]. Ces MNP anisotropes se caractérisent également par un temps de circulation sanguine plus long et une rétention prolongée dans les sites tumoraux par rapport aux NP sphériques, ainsi qu’une meilleure interaction avec les cellules grâce à leur forme cylindrique. Il est cependant très difficile de séparer et de caractériser les NP anisotropes à l’aide d’approches de séparation conventionnelles.

À partir de ce besoin urgent, le premier prototype 2D-ME à être développé au format microfluidique sera utilisé pour la caractérisation de la charge, de la taille et de la forme résolues de MNP sphériques et de nanotiges servant de vecteurs de médicaments innovants. 2D-ME explorera et contrôlera également l’hétérogénéité nanométrique ainsi que leurs interactions avec les biomolécules (par exemple, les protéines sanguines) afin d’améliorer la synthèse des NPs et la qualité de la nanomédecine.

Méthode et tâches

Ce projet interdisciplinaire couvre la microfluidique, l’instrumentation, la chimie (bio)analytique et les nanosciences. Ce projet s’appuiera sur l’expertise complémentaire des partenaires de l’Institut Néel (pour la modélisation de la conception de champs magnétiques et le partenariat de micro-aimants) et de l’équipe Colloïdes Inorganiques du laboratoire Physico-chimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX, Sorbonne université, pour la synthèse et la caractérisation de nanoparticules magnétiques).

Le doctorant développera le système 2D-ME et les protocoles de pré-concentration, de séparation et de caractérisation des MNP sphériques sur mesure synthétisés par PHENIX. Le système 2D-ME au format microfluidique sera développé, avec le fort soutien de notre groupe en instrumentation microfluidique et électrocinétique sur mesure [3, 4]. Le doctorant partira du nouveau dispositif d’électrophorèse capillaire microfluidique qui a été développé en 2024 dans le laboratoire hôte.

Le doctorant, en étroite collaboration avec l’Institut Néel, tentera de proposer différentes façons de combiner les champs magnétiques et électriques dans un microcanal pour réaliser des EM-2D de MNP standards. Le doctorant démontrera ensuite l’applicabilité du système et de la méthodologie développés pour la séparation des nanobâtonnets magnétiques fournis par PHENIX et le suivi de leur interaction avec les protéines plasmatiques humaines afin d’évaluer leur comportement dans des conditions biologiques.

Fcaulté de Pharmacie - Université Paris Sud, Paris Saclay

“Protein and Nanotechnology in analytical Science” (PNAS) is one team of the Institut Galien Paris-Saclay (IGPS, UMR CNRS 8612) located at the Faculty of Pharmacy of University Paris-Saclay. IGPS is an interdisciplinary research unit in pharmacy, biopharmaceutics, pharmaceutical technology and analytical chemistry for diagnostics. The institute is considered as one of the main actors in the field of nanoscience and nanomedicine in Europe. The PNAS team is internationally recognized for its developments of original electrokinetic-based methods and instrumentation for proteins and nanoparticles serving for diagnostics and drug delivery.  IGPS has developed new concepts in analytical science, notably Lab-in-Droplet, Lego-toy CE, and multi-model detection system. The team has a longstanding and well-established expertise in developing new concepts and (miniaturized) diagnostic tools. PNAS has been participating actively in the creation and promotion of a national scientific group on capillary electrophoresis. It is a member of the LERMIT laboratory of excellence (Labex) and leads the SysABCD (Analytical Systems for Biomarkers and Sustainable chemistry) project which is a Strategic Research Initiative of University Paris-Saclay. The laboratory is equipped with UHPLC, nano LC, HPLC and CE instruments, with different detection modes (LIF, UV, QTOF-MS…) as well as the instrumental park consisting of various purpose-made microfluidic and electrokinetic devices (e.g., modular CE system, droplet manipulator, lab on chip and non-clean-room microfabrication platform). IGPS-PNAS has experience in technology transfer and valorization.

Mr. KASIAMA NKAL Giresse, born on 6^th February 1992 in Idiofa, Democratic Republic of Congo (DRC). My passion for research led me to pursue university studies and became an accomplished researcher in my field. In 2024, I got the advanced studies diploma (Master II) in Chemical Sciences (Option: Pharmaceutical, Medical and Cosmetic Chemistry) at the University of Kinshasa. I’m committed to broadening my field of research and contributing more to the scientific world. Mr. Giresse KASIAMA has remarkable scientific experience, having published about 15 articles in renowned journals and publishers. His research covers various fields, including organic chemistry/chemistry of natural substances (search for new bioactive molecules for therapeutic purposes), pharmaceutical chemistry, nanotechnology. In addition, he also works as a research professor at University of Kinshasa and in several universities in the country. His excellence in the field of research is also attested by his H-index, which stands at 5 on ResearchGate and 5 on Google Scholar. These figures reflect the significant impact of his work in the national and international scientific community.