Depuis leur introduction, les agents de contraste ont révolutionné l'imagerie échographique. Ils sont composés de microbulles gazeuses, qui injectés par voie intraveineuse dans le sang, ils améliorent l'image échographique. Une autre application pour laquelle les caractéristiques physiques des agents de contraste sont exploitées est l'imagerie ciblée. Une approche basée sur l'utilisation de ligands intégrés à la paroi des microbulles, celles-ci adhérent aux facteurs de surfaces moléculaires surexprimés par les cellules endothéliales qui tapissent la paroi interne des vaisseaux sanguins. Pour pouvoir distinguer ces microbulles de celles qui circulent librement, elles doivent réfléchir un signal acoustique suffisamment intense. Cependant, le faible taux d'adhérence des microbulles engendre une réduction du signal acoustique. Pour résoudre ce problème, il est important de déterminer l'effet des parois sur leurs dynamiques acoustiques. Dans cette thèse, nous avons étudié l’effet des parois élastiques sur le comportement dynamique des microbulles constituant les agents de contraste. Dans un premier temps, un modèle théorique représentant une paroi avec une épaisseur finie a été développé. Il a été démontré que l’amplitude de l’écho rétrodiffusé par une microbulle proche d’une paroi avec une épaisseur finie est inférieure à celui d’une microbulle se trouvant dans un fluide infini. D'autres parts, pour représenter la paroi d’un vaisseau sanguin, les propriétés mécaniques de la paroi élastique ont été intégrées au modèle. Il a été observé que la fréquence de résonance d’une microbulle proche d’une paroi est supérieure à celle dans un fluide infini. Par la suite, nous avons étudié l’effet de trois types de parois sur le comportement d’une microbulle parmi lesquelles la paroi d'OptiCell communément utilisée en expérimentations ultrasonores. Les résultats ont montré que la microbulle proche de la paroi d’OptiCell diffuse un écho supérieur à celui de la microbulle éloignée de la paroi, lorsque la fréquence d’excitation est au-dessus de sa fréquence de résonance. Nous avons constaté aussi que les petites bulles sont plus sensibles à la proximité de la paroi. Par la suite, nous avons développé un modèle décrivant une microbulle attachée à une paroi élastique. Nous avons montré que le contact direct de la bulle avec la paroi induit une diminution de l'écho par rapport à la même bulle dans un liquide infini. Le contact direct de la bulle avec la paroi engendre une augmentation de la fréquence de résonance part rapport à une bulle sans contact direct. Enfin, une étude expérimentale a montré l'avantage de l'imagerie sous-harmonique pour différencier les microbulles attachées des microbulles libres. / Since they were introducted, contrast agents have revolutionized the ultrasound imaging. They are composed of tiny gaseous microbubbles and when injected intravenously into the blood, they improve the ultrasound image. Targeted imaging is another application based on the physical characteristics of contrast agents. This approach is based on the ligands incorporation into the microbubbles shell. The microbubble attach to the molecular factors overexpressed by endothelial cells, covering the inner wall of blood vessels. To distinguish these microbubbles from those freely circulating, attached microbubble have to produce an acoustic signal that is sufficiently strong. However, the low microbubbles adhesion induces a decrease of the acoustic signal. To make it possible, it is important to determine the effect of the elastic wall on their acoustic response. This thesis aimed to study the effect of elastic walls on the ultrasonic behavior of targeted microbubbles. First, a theoretical model describing a wall with finite thickness was developed. It has been shown that the scattered echo amplitude by a microbubble near a wall with finite thickness is small in comparison to the echo from a microbubble located in an infinite fluid. Furthermore, and in order to account for the effect of blood vessel wall, the mechanical properties of the wall have been incorporated into the model. The results showed that the resonane frequency of a microbubble near the wall is higher than the resonanace of the same microbubble in an infinite medium. Subsequently, we studied the effect of three types of walls on the microbubble behavior including the wall of OptiCell chamber which is commonly used in ultrasonic experiments. We have shown that microbubbles near the OptiCell wall diffuses a higher echo than those far from the wall when the excitation frequency is above the microbubble resonance frequency. On the other side, we observed that small microbubbles to the presence of the wall. Afterward, we developed a model describing a microbubble attached to the wall. We have shown that the microbubble in direct contact with the wall induces a decrease of the echo amplitude compared to the same bubble in infinite liquid. Moreover, the direct contact of the bubble with the wall generates an increase of the resonance frequency relative to a bubble without direct contact. Finally, an experimental study has shown the advantage of the subharmonic imaging to differentiate attached microbubbles from the free ones.

Ce projet de thèse s'inscrit dans une dynamique de développement des polyrotaxanes de cyclodextrines pour des applications biomédicales. L'objectif est d'obtenir, par une approche modulaire et convergente, des polyrotaxanes fonctionnalisés pour l'imagerie par microscopie optique dans le proche infrarouge et l'IRM. Une bibliothèque de cyclodextrines fonctionnalisées a été générée par CuAAC entre des fluorophores (BODIPY, Cyanine) ou un agent de contraste (monoamide-DOTA-Gd) et des ?-cyclodextrines mono- ou bis-azotures. Leurs propriétés d'auto-assemblage ont été étudiées sur un axe court et ont permis le développement de [3]rotaxanes fonctionnalisés pour l'IRM dont les expérimentations in vivo ont démontré l'apport bénéfique de la structure supramoléculaire pour les propriétés d'agent de contraste. L'extension de l'architecture aux polyrotaxanes multimodaux a été réalisée par l'utilisation d'un axe polyammonium. Une nouvelle classe d'axes anioniques a été développée avec l'étude cinétique et thermodynamique de l'enfilage sélectif d'une ou deux cyclodextrines sur des monomères diphosphates et montre l'intérêt des pseudo-bouchons phosphates pour le contrôle de la barrière d'activation par le pH. L'extension à une structure pseudopolyrotaxane est obtenue par la synthèse d'un poly(hexylène phosphate) et permet de valider l'utilisation du polymère pour la synthèse de composés fonctionnalisés. En perspective de ces développements, des voies de post-fonctionnalisation des polyrotaxanes, une nouvelle voie de synthèse par polymérisation de pseudo-rotaxanes et l'obtention d'une cyclodextrine pour le relargage contrôlé par stimuli acido-basiques sont abordées. / This PhD project is focused on the development of cyclodextrin-based polyrotaxanes for biomedical applications. The objective is to use a modular building-block approach to synthesize functionalized polyrotaxanes for NIR fluorescence and magnetic resonance imaging. A library of functionalized cyclodextrins was obtained by a versatile ‘click’ reaction between fluorescent probes (BODIPY, Cyanine) or contrast agent (GdDOTA-monoamide) and mono- or bis-azido α-cyclodextrins. Their self-assembly properties were first studied on short axles and allowed the development of functionalized [3]rotaxanes for MRI. In vitro and in vivo studies demonstrated the advantages of the supramolecular approach for the design of contrast agent with an enhancement of the relaxivities and better retention times in kidneys. The strategy was extended to obtain multimodal polyrotaxane architectures based on a poly(alkyl)ammonium thread. A new family of anionic threads based on alkylphosphate moieties was also developed. Thorough kinetic and thermodynamic studies revealed the ability of phosphates to act as pH-responsive stoppers enabling a selective threading of one or two cyclodextrins on small alkanediphosphate threads. Pseudopolyrotaxanes of α-CD were then obtained with poly(hexylene phosphate) and pave the way for the synthesis of functionalized ones. Finally, significant investigations in the post-functionalization of polyrotaxanes, polymerization of pseudo-rotaxanes as new synthetic pathway and pH-switchable rotaxane for controlled release were realized.

LA MESURE DU VOLUME SANGUIN CEREBRAL (VSC) PAR IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE (IRM) PERMET D'ETUDIER L'ANGIOGENESE TUMORALE. DANS CETTE THESE, UNE METHODE IRM, DITE METHODE T1 STATIONNAIRE RAPIDE (RSST1) POUR QUANTIFIER LE VSC EST PROPOSEE. LE PRINCIPE REPOSE SUR LES PROPRIETES DE LA RELAXATION LONGITUDINALE AVEC DES AGENTS DE CONTRASTE (AC) PARAMAGNETIQUES INTRAVASCULAIRES ET SUR UN MODELE DU CERVEAU BI-COMPARTIMENTAL EXTRA/INTRAVASCULAIRE SANS ECHANGE D'EAU. LA METHODE A ETE VALIDEE SUR DES RATS SAINS A 2.35T (VSC: 2 A 3%) ET LA SENSIBILITE EVALUEE SOUS HYPERCAPNIE (AUGMENTATION DU VSC DE 1%/MMHG CO2). POUR EVALUER L'EFFICACITE D'UN TRAITEMENT ANTITUMORAL, DES AC NE S'EXTRAVASANT PAS DURANT LA MESURE A TRAVERS UNE BARRIERE HEMATOENCEPHALIQUE (BHE) LESEE SONT NECESSAIRES. DEUX AC EXPERIMENTAUX, LE GD-ACX ET LE SINEREM, ONT ETE ETUDIES SUR DEUX MODELES DE RAT GLIOME C6 ET RG2. AVEC LE GD-ACX, LES MESURES ONT ETE CONFRONTEES A UNE ANALYSE MORPHOMETRIQUE DE LA MICROVASCULARISATION SUR DES COUPES IMMUNO-HISTOLOGIQUES. LES MESURES AVEC LE SINEREM ONT NECESSITE LE DEVELOPPEMENT D'ACQUISITIONS A TEMPS D'ECHO COURT ET ONT ETE COMPAREES A CEUX OBTENUS PAR LA METHODE DELTAR2* UTILISANT LE MEME AC. POUR DES AC QUI S'EXTRAVASENT (GD-DOTA ADMIS EN CLINIQUE), UTILISANT UNE ANALYSE PHARMACOCINETIQUE A DEUX COMPARTIMENTS, LES ACQUISITIONS DE LA METHODE RSST1 CONDUISENT A LA MESURE DU VSC ET AU COEFFICIENT DE TRANSFERT Κ LIE A LA PERMEABILITE DE LA BHE. EN CONCLUSION, LA METHODE RSST1, METHODE QUANTITATIVE DE MESURE DE VSC, PERMET AVEC DES AC APPROPRIES, DE REALISER DES ETUDES LONGITUDINALES DE L'ANGIOGENESE TUMORALE ET D'ACCEDER A LA PERMEABILITE VASCULAIRE.

L’Imagerie et la Spectroscopie par Résonance Magnétique du proton (IRM et ¹H SRM) sont des méthodes innovantes en toxicologie. Ces outils permettent l’évaluation de l’impact des xénobiotiques in vivo au niveau structural et métabolique respectivement. Dans cette perspective, les travaux de cette thèse ont été réalisés sur deux modèles murins : (i) des injections répétées de gadodiamide chez le rat entrainant une accumulation de gadolinium dans les noyaux profonds cérébelleux (NCP) ; (ii) une exposition à faible dose(20 μg/kg/jour) pendant la gestation et la lactation au bisphénol A (BPA) et à ses dérivés chlorés qui sont des perturbateurs endocriniens.L’étude des effets des injections répétées du gadodiamide a montré un rehaussement du signal des NCP sur des images pondérées T1 à 6 et 11 semaines post-injections. De manière inédite, il a été mis en évidence que le rehaussement du signal des NCP se maintient jusqu’à 1 an post-injections. Il a été également mesuré une augmentation prolongée de la concentration de créatine totale dans les NCP par la méthode de quantification ERETIC digital. Néanmoins, cette variation n’a pas été confirmée par les autres méthodes de quantification conventionnelles (jMRUI et LCModel). Une comparaison des méthodes de quantification en ¹H SRM (ERETIC digital, jMRUI et LCModel) a été réalisée afin de mettre en évidence l’influence de la correction de la ligne de base dans le traitement des spectres ¹H in vivo.Des perturbations précoces des dérivés chlorés du BPA ont été quantifiés chez les jeunes souris mâles et femelles exposées pendant la période périnatale : (i) des modifications de la composition lipidique hépatique, et cela préalablement à tout changement structural ; (ii) des altérations microstructurales et métaboliques au niveau de l’hippocampe. Une méthode de diffusion spectroscopique a été optimisée puisdes expériences in vivo ont été effectuées afin de caractériser ces anomalies de l’intégrité intracellulaire dans le cerveau des souris mâles. / Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy (MRI and ¹H MRS) are new methods in toxicology. These tools allow the assessment of the impact of xenobiotics at structural and metabolic levels respectively. In this perspective, this thesis presents two studies in animal models: (i) repeated administrations of linear gadolinium-based contrast agent (gadodiamide) in rat leading to a deposition of gadolinium in deep cerebellar nuclei (DCN); (ii) gestational and lactational exposure to bisphenol A (BPA) and its chlorinated derivatives at low dose (20 μg/kg/day) which are endocrine disruptors.The study of repeated injections of gadodiamide showed a hypersignal of DCN on T1-weighed images at 6and 11 weeks post-injections. In an unprecedented way, it was demonstrated that the hypersignal of DCN persisted for 1 year post-injections. A prolonged increase of total creatine concentration in DCN was also measured by the quantitation ERETIC digital method. Nevertheless, this variation was not confirmed by other conventional quantitation methods (jMRUI and LCModel). A comparison of quantitation methods in ¹H MRS (ERETIC digital, jMRUI and LCModel) was performed in order to elucidate the influence of baseline correction in the processing of in vivo ¹H spectra.Early disturbances caused by chlorinated derivatives of BPA were quantified in young male and female mice perinatally exposed: (i) modifications of hepatic lipid composition which precedes any structural change; (ii)microstructural and metabolic alterations in the hippocampus. A spectroscopic diffusion method was optimized, leading to in vivo experiments in order to characterize those abnormalities of intracellular integrity in the brain of male mice.

La maurocalcine (MCa) est une toxine de 33 acides aminés initialement issue du venin du scorpionScorpio maurus palmatus, et est considérée comme faisant partie de la famille des CPP(Cell Penetrating Peptides) depuis de nombreuses années déjà. La MCa présente donc un intérêtthérapeutique certain dans le domaine de la délivrance intracellulaire de cargos, et lestravaux exposés ici cherchent à caractériser au mieux les propriétés de pénétration de la moléculenative ainsi que celle de certains de ses variants.Après avoir quantifié l’internalisation de plusieurs variants tronqués (linéaires), j’ai pu mettreen évidence le fait que tous ces analogues testés ont une capacité à être internalisés bien plusélevée que celle des CPP de référence (notamment Tat et la pénétratine). Parmi ces variants,l’analogue MCaUF1−9 présente l’avantage d’un temps de rétention relativement élevé au seindes cellules, ainsi que d’une accumulation légèrement accrue en environnement acide (ce quiadvient lors de la formation tumeurs solides). Ce nouveau CPP possède donc un certain potentielthérapeutique mais l’étude de la MCa native, remarquablement stable in vivo, reste plusque jamais d’actualité. / Maurocalcine (MCa) is a 33-mer toxin originally isolated from the venom of the scorpioScorpio maurus palmatus, and has been considered as a cell-penetrating peptide (CPP) for severalyears. MCa presents a therapeutic interest for the intracellular delivery of cargoes, andthis thesis aims to characterise the cell penetration properties of the native molecule as well assome of its variants’.After quantifying several truncated (linear) variants’ internalisation, I have been able tohighlight the fact that all of those analogs possess a higher internalization ability than those ofstandard CPP (especially Tat and penetratin). Among those variants, the analog MCaUF1−9 hasa relatively high rentention time within cells, as well as a slightly increased accumulation whenin an acidic environment (which occurs during solid tumours formation). This new CPP showsa certain therapeutic potential but the study of nativeMCa, remarkably stable in vivo, remainsa priority.

L’iode est un composant essentiel aux hormones thyroïdiennes. Les cellules thyroïdiennes captent l’iode circulant et le concentrent vers le colloïde. Il est alors incorporé à la thyroglobuline, protéine précurseur des hormones, par un mécanisme d’organification. La capacité de captation de l’iode par la thyroïde est finement régulée notamment par la « Thyroid Stimulating Hormone » (TSH) mais aussi l’iode circulant. En effet, en cas d’une élévation de l’iode circulant, la thyroïde déclenche un mécanisme d’autorégulation appelée l’effet Wolff-Chaikoff. Ce phénomène se traduit par une limitation transitoire de production des hormones thyroïdiennes qui s’accompagne notamment d’une diminution de l’expression du NIS (Natrium Iodide Symporter), la protéine responsable du transport actif de l’iode dans la thyroïde. Dans cette étude, des approches omiques globales ont été mises à profit pour étudier cette régulation dans le contexte de l’administration d’un produit iodé et de souris invalidées pour un gène codant pour un transporteur de monocarboxylate exprimé dans la thyroïde. Dans la première partie, l’effet des agents de contraste iodés (ICA), couramment utilisés en imagerie médicale, a été étudié. L’administration de ces agents entraine une réduction de la captation de l’iode souvent expliquée par un effet Wolff-Chaikoff associé à un potentiel relargage d’iode. Par une approche de protéomique quantitative global, le protéome de thyroïde de souris, après administration d’ICA, a été comparé au protéome en conditions d’excès d’iode. Après un traitement des données et une analyse bioinformatique, nos résultats mettent en évidence l’existence de peu de mécanismes en commun induits par l’iode et les ICA mais cependant de plus importantes variations d’expression de protéines sont déclenchées uniquement par les ICA. Cette étude est en accord avec une durée plus importante de l’inhibition de la fonction après une administration d’ICA comparée à celle de l’iode stable. Dans la deuxième partie, le rôle de SLC5A8 dans la fonction thyroïdienne et les mécanismes sous-jacents à l’effet Wolff-Chaikoff ont été étudiés chez des souris invalidées pour le gène Slc5a8 (Solute carrier family 5 number 8) et des souris non mutées. SLC5A8 est une protéine membranaire identifiée au laboratoire et exprimée dans la membrane apicale du thyrocyte. Cette protéine catalyse un transport de monocarboxylate dans différents organes mais son rôle dans la thyroïde demeure non élucidé. L’invalidation n’entraine pas d’effet majeur sur la fonction thyroïdienne. En mettant à profit une approche multiomique comparative, combinant la transcriptomique, la protéomique et la métabolomique, les effets de cette invalidation et/ou de la régulation par l’iode de la thyroïde ont été explorés. Le traitement des data révèle de nombreuses voies activées dans les différentes conditions avec des mécanismes de compensation de l’effet de l’invalidation par l’administration d’iode. Les résultats indiquent que la perte de fonction de SLC5A8 affecte l’organification et/ou maturation de la thyroglobuline, le contrôle du stress oxydatif et de l’iode libre dans la thyroïde. / Iodine is an essential component of thyroid hormones. Thyroid cells capture the circulating iodine and concentrate it in the colloid. Then, it is incorporated into the thyroglobulin, the hormone precursor protein, by an organification mechanism. The iodine uptake capacity by the thyroid is finely regulated, not only by the Thyroid Stimulating Hormone (TSH) but also by circulating iodine. Indeed, in case of high circulating iodine, the thyroid actives a self-regulating mechanism called the Wolff-Chaikoff effect. This phenomenon results in a transient limitation of thyroid hormone production which is accompanied by a decrease in the expression of NIS (Natrium Iodide Symporter), the protein that is responsible for the active transport of iodine in the thyroid. In this study, global omics approaches were used to study this regulation in the context of the administration of an iodized product and mice invalidated for a gene coding a monocarboxylate transporter expressed in the thyroid. In the first part, the effect of iodinated contrast media (ICM), commonly used in medical imaging, has been studied. The administration of these agents leads to a reduction in the uptake of iodine often explained by a Wolff-Chaikoff effect associated with an iodine release potential. Through an overall quantitative proteomic approach, the mouse thyroid proteome, after administration of ICM, was compared to the proteome under conditions of excess iodine. In the second part, the role of SLC5A8 in thyroid function and the mechanisms underlying the Wolff-Chaikoff effect were studied in mice invalidated for the Slc5a8 gene (Solute carrier family 5 number 8) and wild type mice. SLC5A8 is a membrane protein identified in the laboratory and expressed in the thyrocyte apical membrane. This protein catalyzes the monocarboxylates transport in different organs but its role in the thyroid remains unsolved. Invalidation does not have a major effect on thyroid function. By using a comparative multiomic approach which combines transcriptomics, proteomics and metabolomics, the effects of this invalidation and / or regulation by iodine in the thyroid have been explored. Data processing reveals many pathways activated under different conditions with mechanisms to compensate for the effect of invalidation by the administration of iodine. The results indicate that the loss of SLC5A8 function affects the organization and / or maturation of thyroglobulin, the control of oxidative stress and of free iodine in the thyroid.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte de l'imagerie moléculaire, qui vise à adapter les traitements de pathologies à la variabilité de chaque patient, grâce à l'imagerie de biomarqueurs cellulaires ou moléculaires. En particulier, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) couplée a des nanoparticules d’oxyde de fer innovantes pourrait permettre de relever un tel défi.Cette thèse se concentre sur l'étude d'une nouvelle classe d'agents de contraste à base d'oxyde de fer pour l'IRM à haut champ magnétique. En effet, les magnétosomes sont des vésicules d’oxyde de fer produites naturellement par des bactéries appelées bactéries magnétotactiques. De telles bactéries synthétisent ces vésicules magnétiques et les alignent comme l'aiguille d'une boussole, ce qui facilite leur navigation dans les sédiments. Ces bactéries produisent donc des magnétosomes aux propriétés magnétiques exceptionnelles: 50 nm de diamètre, mono-cristallin, mono-domaine magnétique et avec une haute magnétisation à saturation. De plus, une grande variété de souches bactériennes existent dans la nature, et produisent, avec une grande stabilité, des magnétosomes dont la taille, la forme, et le contenu chimique, sont déterminés génétiquement. Enfin, les magnétosomes sont naturellement porteurs d'une membrane bi-lipidique dont le contenu est également déterminé génétiquement. Récemment, le contenu protéique de la membrane des magnétosomes a été mis à jour, ouvrant la voie à la fonctionnalisation de cette dernière par fusion des gènes codant pour des protéines présentes abondamment à la membrane avec ceux codant pour un peptide d’intérêt.Ainsi, l'utilisation de ces micro-organismes pour produire des agents de contraste innovants et fonctionnalisés pour l'imagerie moléculaire par IRM, et les applications qui en découlent, ont été étudiées pendant cette thèse. La production et l'ingénierie des magnétosomes a été réalisée par nos collègues du Laboratoire de Bioénergétique Cellulaire (LBC, CEA Cadarache), et sera présentée et discutée. Des magnétosomes sauvages ont d'abord été caractérisés en tant qu'agents de contraste pour l'IRM. De tel magnétosomes présentent des propriétés contrastantes très intéressantes pour l'IRM, ce qui a été validé à la fois in vitro puis in vivo. L'étude de faisabilité de la production d'un agent de contraste pour l'imagerie moléculaire par IRM en une seule étape, à l'aide des bactéries magnétotactiques, a été réalisée sur un modèle de souris porteur de glioblastome. Sachant par la littérature que les cellules tumorales sur-expriment les intégrines anb3, et que ces dernières peuvent être ciblées par le peptide RGD, il a été choisi de produire des magnétosomes exprimant le peptide RGD à leur membrane. L'affinité de tels magnétosomes pour les cellules tumorales U87 a été vérifiée in vitro, et démontré in vivo par IRM puis cross-validé par histologie. / This work takes place in the context of molecular imaging, which aims at tailoring medical treatments and therapies to the individual context by revealing molecular or cellular phenomenon of medical interest in the less invasive manner. In particular, it can be acheived with MRI molecular imaging using engineered iron-oxide contrast agent.This PhD thesis focuses on the study of a new class of iron-oxide contrast agent for high field MRI. Indeed, magnetosomes are natural iron-oxide vesicles produced by magnetotactic bacteria. These bacteria synthesized such magnetic vesicles and ordered them like a nano-compass in order to facilitate their navigation in sediments. This explains why magnetosomes are awarded with tremendous magnetic properties: around 50 nm, mono-crystalline, single magnetic domain and high saturation magnetization. Furthermore, a wide variety of bacterial strains exist in nature and size and shape of magnetosomes are highly stable within strain and can be very different between strains. Finally, magnetosomes are naturally coated with a bilipidic membrane whose content is genetically determined. Lately, researchers have unravelled magnetosomes membrane protein contents, opening the way to create functionnalized magnetosomes thanks to fusion of the gene coding for a protein of interest with the gene coding for an abundant protein at magnetosomes membrane.A new alternative path using living organisms to tackle the production of engineered high effciency molecular imaging probes have been investigated with magnetotactic bacteria in this PhD. The production and engineering of magnetosomes have been carried out by our partner, the Laboratoire de Bio-energétique Cellulaire (LBC, CEA Cadarache), and will be presented and discussed. We then characterized magnetosomes as contrast agent for high field MRI. We showed they present very promising contrasting properties in vitro, and assessed this observation in vivo by establishing they can be used as effcient blood pool agent after intravenous injection. Afterward, we applied the concept of producing engineered MRI molecular imaging probes in a single step by bacteria, to a mouse model of glioblastoma. Knowing that tumor cells can be actively targeted through anb3 integrins by RGD, we produced RGD functionnalized magnetosomes. We started from showing these RGD magnetosomes have a good affnity for U87 cell in vitro, prior to demonstrate it in vivo on orthotopic U87 mouse model. This in vivo affnity being fnally cross-validated with histology.

L’effet des composés paramagnétiques sur le déplacement chimique des protons, c’est-à-dire sur leur fréquence de résonance propre, beaucoup utilisé en RMN conventionnelle, peut également être un outil de contraste en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour réaliser des images encodées en fréquence et donc sélectives selon la nature ou l’environnement de l’entité que l’on cherche à révéler. Cette approche fait intervenir le transfert d’aimantation par échange chimique de protons mobiles, en anglais « Chemical Exchange Saturation Transfer » (CEST). Le principe consiste à saturer sélectivement un signal donné de protons labiles appartenant à la structure-même de l’agent de contraste ou aux molécules d’eau qui lui sont transitoirement liées, à l’aide d’une impulsion radiofréquence bien choisie. L’image résulte alors de l’altération du signal des protons échangés. Le fonctionnement de la méthode repose sur l’existence effective de deux ensembles ou réservoirs de protons, celui correspondant aux protons associés à l’agent de contraste et celui représenté par le milieu environnant, autrement dit l’eau des tissus, ces deux réservoirs présentant une fréquence de résonance bien distincte. Les systèmes LipoCEST, liposomes encapsulant un complexe paramagnétique de lanthanide, permettent une telle différenciation de deux réservoirs de protons constitutifs d’une part de l’eau contenue dans la cavité interne des liposomes (dont la fréquence de résonance est modifiée par l’agent paramagnétique) et d’autre part de l’eau présente à l’extérieur de la structure. La sensibilité de tels systèmes est principalement due au grand nombre de protons contenus dans le réservoir interne. La nature de l’agent paramagnétique joue un rôle déterminant dans la sélectivité de l’effet CEST et la nature de la membrane des liposomes dont la perméabilité permet un échange plus ou moins rapide entre les deux réservoirs d’eau doit être sélectionnée de manière à conduire à une réponse CEST efficace.Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur une telle mise au point avec pour objectif l’optimisation de systèmes destinés à une IRM-CEST après administration par voie intraveineuse. De ce fait, le diamètre des liposomes a été fixé inférieur à 200 nm et leur surface recouverte de chaînes de poly(éthylène glycol) pour assurer leur future stabilité dans le compartiment sanguin. Le choix des agents de déplacement chimique à centre lanthanide, principalement des complexes de thulium, a été fixé à partir de leurs propriétés structurales et magnétiques. La méthodologie spécialement développée pour encapsuler ces entités au sein de liposomes de compositions lipidiques induisant des perméabilités membranaires distinctes a permis la mise au point d’un nouvel agent de contraste LipoCEST. / The effect of paramagnetic compounds in the chemical shift of endogenous protons, i.e., their resonance frequency, widely used in conventional NMR, can also be a tool to modulate the contrast in magnetic resonance imaging (MRI) by achieving frequency-encoded images depending on the nature or the environment of the entity or tissue to be revealed. This approach involves the transfer of magnetization by chemical exchange of protons also referred to as "Chemical Exchange Saturation Transfer" (CEST). The principle consists in selectively saturate by applying a radio frequency pulse, the signal of labile protons transiently belonging to the structure of the contrast agent or to the water molecules which are associated transiently to it. The image then results from the alteration of the signal of the exchanged protons. The method is based on the actual existence of two sets of protons or pools with two distinct resonance frequencies, one corresponding to the protons associated with the contrast agent and the other represented by the surrounding bulk water.LipoCEST systems, liposomes encapsulating a paramagnetic lanthanide complex, allows such a differentiation of two proton pools constituted on one hand by the water molecules contained in the inner cavity of the liposomes (with a resonance frequency changed by the paramagnetic agent ) and on the other hand by the water present outside the vesicle structure. The sensitivity of such systems is mainly due to the large number of protons in the inner pool. The nature of the paramagnetic agent plays a role in the selectivity of the CEST effect while the nature of the liposome membrane and related permeability behavior controls the proton exchange kinetics between the two water pools. These two parameters must be selected and adjusted to provide effective CEST contrast.The work in this thesis aimed at such a development by optimizing liposome systems for MRI-CEST after intravenous administration. Therefore, the diameter of the liposomes was set below 200 nm and their surface covered by chains of poly (ethylene glycol) to ensure stability in the blood compartment. The choice of chemical shift agents based on lanthanide complexes, mainly thulium-based derivatives, was established from their structural and magnetic properties. The methodology specially developed to encapsulate these entities into vesicles of different membrane composition and permeability to water allowed to generate a new LipoCEST contrast agent.

L’objectif de cette thèse a été de synthétiser, caractériser et évaluer l’efficacité de photosensibilisateurs (PS) activables par excitation mono- et bi-photonique pour la thérapie photodynamique (PDT). Les PSs sont des dérivés de porphyrines qui ont été associés à différents composés incluants des sondes d’imagerie, des vecteurs, ou des nanoparticules, dans le but d’améliorer l’efficacité du traitement. Un PS a ainsi été relié à deux complexes de Gd(III) pour former un agent moléculaire théranostique afin de pouvoir suivre l’évolution de la PDT par imagerie par résonance magnétique (IRM). Cet agent théranostique conserve les bonnes propriétés photophysiques du PS et sa relaxivité remarquable permet l’imagerie à des concentrations plus faibles que les agents de contraste commerciaux. L’association d’un PS avec un vecteur, l’acide folique ou la biotine, a permis d’augmenter la sélectivité envers les cellules cancéreuses. L’augmentation de la phototoxicité envers des cellules HeLa pour ces deux PSs par rapport au PS non vectorisé montre le potentiel de ces deux PSs vectorisés pour la PDT par excitation mono et bi-photonique. Enfin, plusieurs PS ont été liés ou incorporés dans des cubosomes pour améliorer leur biodistribution et leurs phototoxicités ont été étudiées. Ces études montrent pour la première fois la possibilité d’utiliser des cubosomes comme formulation pour les PSs. / The aim of this thesis was to synthesize, characterize and evaluate the efficiency of new photosensitizers (PS) for Photodynamic Therapy (PDT) activated by a one- or two-photon absorption. Theses PSs are composed of π-extended porphyrins linked to imaging probes, targeting moieties or nanoparticles to improve the treatment efficiency. A PS was linked to two Gd(III) complexes to form a molecular theranostic agent allowing the monitoring of the PDT outcome by Magnetic Resonance Imaging (MRI). This molecular theranostic agent retains the good photophysical properties of the PS and its high relaxivity allows the imaging at a lower concentration than the commercial contrast agents. In order to increase the selectivity towards cancer cells a PS was linked to folic acid or biotin, two targeting compounds. The increase of the phototoxicity towards HeLa cells of these two targeted PSs compared to a non-targeted PS reveals the potential for one- and two-photon PDT. Finally, several PSs have been linked to cubosomes to increase the biodistribution and their phototoxicity has been investigated. This study shows for the first time that cubosomes can be used as a formulation for PSs.

Au cours de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Iseult/INUMAC, nous avons réalisé un travail de développements méthodologiques et technologiques, dans l'optique de permettre à l'IRM de devenir un outil quantitatif pour l'imagerie moléculaire de pathologies cérébrales sur des modèles rongeurs. Pour cela, nous avons développé une stratégie de quantification, utilisant des séquences de cartographie T1 et T2, pour acquérir des cartes de concentration en agents de contraste paramagnétiques et superparamagnétiques avec une excellente sensibilité, une résolution spatiale élevée, ainsi qu'une résolution temporelle compatible avec l'imagerie in vivo. La méthodologie générale que nous avons mise en place lors de ces travaux de thèse nous a permis d'aborder un certain nombre de problématiques propres à l'imagerie moléculaire de pathologies cérébrales par IRM. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'imagerie d'un biomarqueur endovasculaire de l'angiogenèse tumorale sur un modèle de glioblastome cérébral induit chez des souris immuno-déprimées. Nous avons étudié la fixation d'une émulsion paramagnétique, fonctionnalisée par l'ajout de peptides RGD, sur l'intégrine alpha-nu-beta-3 surexprimée à la surface des cellules endothéliales de capillaires tumoraux. Nous nous sommes ensuite intéressés à la délivrance des agents de contraste aux tissus cérébraux. À l'aide d'un protocole optimisé d'ouverture de la barrière hématoencéphalique (BHE) par ultrasons focalisés sous IRM, nous avons étudié les caractéristiques de cette ouverture, ainsi que la dynamique de refermeture sur des modèles de rats et souris sains. Dans une autre étude, la mesure du coefficient de diffusion apparent d'agents de contraste dans les tissus cérébraux de rats sains nous a permis d'évaluer le temps nécessaire à ces agents de tailles différentes pour atteindre leurs cibles, une fois la BHE franchie. Ces caractéristiques représentent des informations capitales dans le cadre de la délivrance d'agents de contraste aux tissus cérébraux. Ils sont en effet susceptibles d'intéresser les industriels pharmaceutiques pour optimiser la conception d'agents diagnostiques et thérapeutiques dédiés aux pathologies cérébrales. / In this thesis, which was part of the Iseult/INUMAC project, we propose several methodological and technological developments aiming to allow MRI to become a quantitative tool for molecular imaging of brain pathologies. To do so, we developed a quantification strategy based on T1 and T2 mapping sequences in order to acquire quantitative concentration maps of paramagnetic and superparamagnetic contrast agents with excellent sensitivity, high spatial resolution and temporal resolution compatible with in vivo imaging. This general methodology allowed us to address several issues specific to molecular imaging of cerebral pathologies using MRI. First, we focused on the imaging of a vascular biomarker of tumor angiogenesis on a glioblastoma mouse model. We studied the binding of a paramagnetic emulsion, functionalized using RGD peptides, on alpha-nu-beta-3 integrin over-expressed at the surface of freshly formed endothelial cells. Then, we focused on the delivery of contrast agents to brain parenchyma. A system was developed and optimized to open transiently and non-invasively rodents blood brain barrier (BBB) using focalized ultrasound monitored by MRI. The BBB opening features and closure dynamics induced by this protocol were extensively characterized. In another study, we measured the apparent diffusion coefficient of contrast agents with different sizes in cerebral tissues of healthy rats. From these measures we could estimate the time necessary for these particles to reach their targets once the BBB is crossed. These parameters are highly valuable in the context of drug delivery to the brain. They might indeed be used by pharmaceutical industries to optimize the design of diagnostic and therapeutic agents dedicated to cerebral diseases.