L'efficacité des nanoparticules AGuIX a été démontré avec des irradiations précliniques ou monoénergétiques pour les cancers du cerveau, tête et cou, et poumon. L'irradiation préclinique de faible énergie (220 kV), et l'irradiation clinique (6 MV) sont adaptées pour activer les nanoparticules. L'effet radiosensibilisant des nanoparticules métalliques étant principalement causé par effet photoélectrique, il est nécessaire d'utiliser des photons d'énergie proche de la raie K du gadolinium (50.2 keV) afin de créer une interaction avec les électrons de l'atome dans le but d'amplifier localement la dose autour des nanoparticules aboutissant à des effets biologiques menant à une augmentation de la mort cellulaire. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une preuve de concept sur le cancer du pancréas, connu pour son faible taux de survie, avec machines précliniques et cliniques. Afin de relever le défi du passage en clinique, nous avons proposé une méthode pour créer un adoucissement du faisceau d'irradiation et démontré la possibilité d'utiliser les nanoparticles AGuIX pour un essai clinique. Les travaux de recherche ont été réalisés en trois temps : un calcul analytique permettant d'obtenir une information sur l'influence des différents paramètres d'irradiation, une confirmation de l'efficacité des nanoparticules avec faisceaux précliniques, et enfin une preuve de concept avec faisceaux cliniques. Notre étude avec faisceaux cliniques est la première étude réalisée démontrant l'efficacité de nanoparticules de gadolinium passivement ciblées vers la tumeur, et démontre qu'il est possible d'obtenir des résultats cliniques similaires à ceux obtenus en préclinique / Previous studies demonstrated AGuIX ability to act as an efficient radiosensitizer under the presence of preclinical radiations or monoenergetic radiation beams for multiple cancer models. The preclinical irradiation (220 kV) has been shown effective in activating high atomic number (Z) nanoparticles. The energy peak is close to the k-edge of the different high-Z elements used (50.2 keV for the gadolinium), leading to a strong photoelectric effect. Auger electrons generation and biological effects occur afterwards creating a local dose enhancement. However, clinical treatments use a higher energy beam (>6 MV). At these energy ranges, the photoelectric probability is less important, decreasing the direct interaction of the nanoparticles with the incoming photons. We performed a proof of concept on a pancreatic tumor model, known for its low survival rates, with preclinical and clinical radiation beams to evaluate the efficacy of the AGuIX. To increase the efficacy of the clinical radiation beam without modifying the nanoparticle structure in order to obtain a dose enhancement close to the one observed with the preclinical beam, we evaluated key clinical beam parameters to understand and increase the mechanisms of interaction between the incident photons and the high-Z nanoparticles. Hence, we evaluated analytically the impact of the radiation beam under different conditions of irradiation, confirming the potential of the AGuIX with a preclinical beam, and finally shown their significant efficacy under a clinical setup. This study is the first to evaluate the potential of a high-Z nanoparticle to act as radiosensitizer following low dose intravenous injections

Les nanoparticules AGuIX® sont des petites plateformes paramagnétiques qui ont été développées pour des applications en imagerie médicale. Ces nanoparticules se composent à leur surface de plusieurs fonctions amines utilisées pour le greffage de ligands Gd-DOTAGA. Ces nanoparticules paramagnétiques ont un diamètre inférieur à 5 nm. Différentes études dans le domaine du cancer ont montré que ces nanoparticules disposaient de propriétés théragnostiques, permettant à la fois la réalisation d'un diagnostic et d'une thérapie. En effet, la surface rigide des AGuIX permet une multimodalité dans l'usage des techniques d'imagerie médicale. Par ailleurs, leur faible diamètre hydrodynamique assure un ciblage tumoral passif par effet EPR (Enhanced Permeability and Retention) et la présence de Gd permet la réalisation de radiothérapies guidées plus localisées au niveau tumoral. Par ailleurs, leur taille permet une excrétion du corps rapide par la voie rénale. La vitesse de transmétallation relativement faible des ions Gd3+ complexés par les ligands DOTA, en présence d'ions métalliques tels que le Zn2+, assure des effets toxicologiques négligeables dans le cadre d'études précliniques. Des études ont montré que le peptide TLVSSL a une forte affinité pour la phosphatidylsérine, un phospholipide surexposé sur des cellules en processus de mort cellulaire par apoptose. Le ciblage des cellules apoptotiques est intéressant dans le cadre du suivi de l'efficacité d'une thérapie anti-tumorale mais aussi pour le diagnostic des maladies liées à ce processus. Dans ce travail, les nanoparticules AGuIX ont ainsi été greffées avec ce peptide (AGuIX-E3) pour ensuite être caractérisées. Pour augmenter la mobilité des peptides fixés à la surface de la plateforme rigide, les AGuIX ont également été greffées avec des peptides liés à un linker, l'acide 8-amino-3,6-dioxaoctanoïque, par l'intermédiaire d'une liaison amide (AGuIX-L-E3), mais également avec un peptide scramble (AGuIX-E3Sc, AGuIX-L-E3Sc).Les nanoparticules AGuIX® ont été greffées avec le peptide en considérant l'activation préalable des fonctions carboxyliques disponibles en surface avec de l'EDC. En outre, l'addition d'un marqueur fluorescent (rhodamine ou cyanine 5.5) a été réalisée afin de permettre des applications en microscopie de fluorescence, FACS et imagerie optique. Plusieurs techniques de caractérisations physico-chimiques telles que PCS, la spectroscopie de fluorescence, l'HPLC et la relaxométrie protonique ont été réalisées pour étudier ces plateformes. Des mesures relaxométriques et la réalisation de profils Nl\IRD ont confirmé l'augmentation du temps de corrélation rotationnelle après la fixation du peptide et ont aussi permis d'étudier la stabilité des nanoparticules en fonction du temps. Des tests biologiques sur cellules effectués en utilisant les techniques de microscopie à fluorescence, de cytométrie en flux ainsi que de relaxométrie, ont permis de déterminer l'affinité des nanoparticules pour les phosphatidylsérines surexposées à la surface d'une lignée de cellules T humaines lymphoblastiques (.Jurkat) au cours du processus de mort cellulaire. L'apoptose a été chimiquement induite par le traitement préalable des cellules avec de la camptothécine, un composé chimique connu pour ses propriétés anti-tumorales. Cependant, bien que les analyses in vitro ont confirmé l'impact réel du greffage des AGuIX sur l'efficacité de ciblage de l'apoptose, des études in vivo n'ont pas montré une influence significative du peptide lors de l'injection des nanoparticules (AGuIX, AGuIX-E3, AGuIX-E3Sc) sur un modèle de souris traitées avec de la dexaméthasone (DEX). En effet, la DEX a. fait l'objet d'études qui montrent son influence dans le déclenchement d'une apoptose cellulaire au niveau du thymus. En conclusion, plusieurs caractérisations chimiques et des tests biologiques réalisés lors de nos recherches ont confirmé le greffage des peptides E3 et E3Sc sur les nanoparticules AGuIX / AGuIX® nanoparticles are small platforms of polysiloxane developed for applications in medical imaging. These nanoparticles present on their surface several amine functions used for the grafting of Gd-DOTA complexes. These paramagnetic platforms have a diameter less than 5 nm. Different studies have been achieved showing that they allow to combine multimodal diagnosis and theranostic properties with a passive tumoral targeting observed by EPR effect (Enhanced Permeability and Retention). Otherwise, their small size allows a quick body excretion by the kidneys. The low transmetalation rate of Gd3+ ions complexed by DOTA provides negligible toxicological effects in pre-clinical studies.Some studies showed that TLVSSL peptide has a high affinity for phosphatidylserine, a phospholipid overexposed on cells in apoptosis process of death. The targeting of apoptotic cells is interesting to follow the efficiency of an antitumoral therapy and for diagnosis of diseases related to this process. In this work, AGuIX nanoparticles have thus been grafted with this peptide and characterized (AGuIX-E3). To increase the peptide mobility against the rigid platform, AGuIX were also grafted with peptides bound to a linker through an amide bond with 8-amino-3,6-dioxaoctanoic acid, (AGuIX-L-E3) and with a peptide scramble (AGuIX-E3Sc, AGuIX-L-E3Sc).AGuIX® nanoparticles were grafted with peptide by activation with EDC of the carboxylic functions available on nanoparticle surface. Furthermore, previous addition of an optical dye allows their applications in optical imaging (rhodamine or cyanine 5.5). Different physicochemical techniques such as PCS, fluorescence spectroscopy, HPLC and proton relaxometry were used to characterize these platforms. Relaxometric studies by NMRD profiles confirmed the increase of the rotational correlation time after linking of peptide and allow to study the time stability of the platform. Biological tests were performed using fluorescence microscopy, relaxometry and flow cytometry techniques to determine the affinity of nanoparticles for lymphoblastic human T cell line (Jurkat) cells overexposing phosphatidylserine, suggesting an efficiency to target apoptosis. In vitro cell apoptosis was chemically induced by incubation with campthothecin. However, though in vitro analysis confirmed the real impact of the grafting of AGuIX on the efficiency to target apoptosis, first in vivo studies didn’t showed a significant influence of peptide when nanoparticles (AGuIX, AGuIX-E:), AGuIX-E3Sc) were injected on mice. Injected-mice were previously treated with dexamethasone to trigger apoptosis in thymus. In conclusion, several chemical characterizations and biological tests achieved on our research confirmed the binding of peptides on AGuIX nanoparticles. In vitro analyses have showed an efficient targeting of cells with overexposed phosphatidylserine by grafted­AGuIX nanoparticles. Nevertheless, in vivo experiments didn't confirm the conclusion suggested in vitro tests. Indeed, the intake of active targeting of apoptotic cells by grafted­AGuIX is not relevant in front of the non-specific targeting observed with non-grafted AGuIX. Further in vivo tests should be however achieved to confirm these observations

La radiothérapie est souvent utilisée pour contrôler la progression d'un cancer. Cependant, la mauvaise spécificité de ciblage de la plupart des techniques de radiothérapie peut entraîner une réponse clinique ambiguë. Une stratégie alternative - et complémentaire - est d'utiliser des matériaux possédant un numéro atomique élevé et qui peuvent ainsi agir en synergie avec les rayonnements ionisants pour améliorer le ratio thérapeutique de la radiothérapie. Dans ce contexte, une nanoparticule (NP) théranostique à base de gadolinium (Gd) est particulièrement adaptée pour fournir simultanément une plus grande précision en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) et une meilleure efficacité en radiothérapie clinique. Au cours de cette thèse, nous avons étudié d'un point de vue préclinique la pharmacocinétique et le métabolisme de ces NP chez des rongeurs et des primates non humains afin d'élucider leurs voies d'élimination et de calculer la dose sans effet nocif observé (NOAEL). De plus, nous avons démontré la capacité d'imagerie et de thérapie de ces particules sur un modèle de souris porteuses de mélanome cérébral, ceci afin d'appuyer le potentiel des NP pour la radiothérapie guidée par IRM en clinique. Ces travaux de thèse - ainsi que des résultats précédents - ont contribué au début d'un essai clinique actuellement en cours / Combinations of chemotherapy and radiotherapy are often used to control cancer progression. However, the poor targeting specificity of most chemotherapies and radiotherapies can cause toxicity and ambiguous clinical response. In particular, dose escalation in radiotherapy inevitably increases radiation exposure for some surroundings normal tissues and organs, putting them at risk for debilitating damage. An alternative – and complementary – strategy is the use of materials with high atomic numbers (Z) that strongly interact with low energy photons to produce photoelectrons and Auger electrons In this context, a new efficient type of gadolinium (Gd)-based theranostic agent (AGuIX®) has recently been developed by the team of Prof. Tillement for MRI-guided radiotherapy. AGuIX® is a 3-nm size nanoparticles of 9 kDa, consist of a polysiloxane network surrounded by Gd chelates. In this thesis, we investigated the elimination kinetics of AGuIX nanoparticle’s (NPs) from sub-cellular to whole organ scale using original and complementary techniques. This combination of techniques allows the exact mechanism of AGuIX NPs elimination to be elucidated. We reported the preclinical pharmacokinetics and toxicology studies of intravenous AGuIX NPs administration in healthy and atherosclerosis non-human primates (NHP), the goal of which is to demonstrate the safety of AGuIX NPs, in particular, for pre-clinical evaluation. Subsequently, we performed experimental and theoretical studies to investigate the radiosensitization of AGuIX NPs, in particular with B16F10 mouse melanoma as a model for brain metastases. After, we implemented experimental and theoretical studies to precisely understand the mechanism of this radiosensitization, we suggest additional mechanism, potentially caused by chemical and biological effects induced by the combination of Gd and radiation (i.e. high yield of radicals formation and combination, and bystander effect)

Les cancers des Voies Aérodigestives Supérieures sont classés parmi les dix cancers les plus agressifs du fait de leur radioresistance intrinsèque et leur forte probabilité de récurrence. L’objectif de ce travail a été d’étudier le potentiel radiosensibilisant de nanoparticules à base de gadolinium, AGuIX®, sur un modèle cellulaire de cancer des VADS. Après avoir déterminé et validé les conditions optimales de radiosensibilisation de notre modèle par les AGuIX®, leur localisation après internalisation ainsi que les conséquences biologiques générées à l’échelle subcellulaire ont été successivement étudiées. Enfin, une approche préliminaire protéomique a été initiée afin d’identifier des cibles moléculaires potentielles impliquées dans cette radiosensibilisation. Le traitement des cellules SQ20B avec 0.8mM Gd pendant 24h se sont révélées être optimales avec un DEF (dose enhancement factor) de 1.3. Les AGuIX® sont localisées presque exclusivement dans les lysosomes après internalisation. La radiosensibilisation est liée à une surproduction de radicaux libres oxygénés, minimisée toutefois par des défenses antioxydantes endogènes élevées. Le traitement combiné (AGuIX®+ irradiation) déclenche spécifiquement la mort cellulaire autophagique et s’accompagne d’une augmentation significative du nombre de cassures double brins résiduelles complexes. L’étude protéomique préliminaire a permis d’identifier une cible moléculaire potentiellement impliquée dans cette radiosensibilisation (la ribonucléotide réductase), cible qui fera l’objet d’une suite à ce travail. De plus, la prochaine étape sera de comprendre les mécanismes qui relient les AGuIX® internalisées dans les lysosomes avec l’augmentation de la mort cellulaire autophagique après irradiation / Head and Neck Squamous Cell Carcinoma is ranked among the top ten deadliest cancers due to its high radioresistance and recurrence. One radiosensitizing strategy is the use of high-Z metal nanoparticles. In this study, ultrasmall gadolinium-based nanoparticles, AGuIX®, were used for their potential as a radiosensitizing agent. The objectives of this work were to determine the radiosensitizing conditions of AGuIX® in an HNSCC cell model, their localization after uptake, and the biological consequences generated at the subcellular level after the combined treatment. A preliminary proteomic approach was initiated in order to identify potential molecular targets involved in radiosensitization. The treatment of SQ20B cells with 0.8mM Gd for 24h resulted in a dose enhancement factor (DEF) of 1.3. AGuIX® were predominantly localized in lysosomes. The overproduction of radical oxygen species following AGuIX® + radiation was intimately involved in the radiosensitization, although largely subdued by the high level of endogenous antioxidant defenses. Autophagy was specifically triggered after the combined treatment, while other irradiation-induced cell deaths remained unchanged. The number of complex, residual double strand breaks (DSBs) was specifically increased with AGuIX® combined to radiation. Lastly, our preliminary proteomic analysis allowed the isolation of potential molecular targets with great promise. Collectively, it seems that the radiosensitizing effect observed in this work may result from a combination of events.Future work is required to understand the mechanisms linking lysosomes-entrapped AGuIX® with the upregulation of autophagic cell death after radiation