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The neuronal differentiation of neural stem cells (NSCs) has received much attention due to its potential for the treatment of neurodegenerative diseases (i.e., Parkinson’s and Alzheimer’s diseases). In this regard, discovering compounds that direct differentiation of NSCs is highly required to facilitate therapeutic applications. In this study, we examined various bioactive compounds (SA1, SA2, LiCl, compound B, and DHED) to induce the neuronal differentiation of human neural stem cells (hNSCs). The study was conducted on the cells grown in three dimensional (3D) hydrogel or two dimensional (2D) environment since 3D hydrogel mimics the extracellular matrix and provides physiologically more relevant environment than 2D cell culture system. Three-dimensional (3D) hydrogel systems in this study involve polysaccharides such as alginate and hyaluronic acid. Neuronal differentiation of hNSCs was monitored in genetic level and protein level by quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (RT-qPCR) and immunocytochemistry (ICC), respectively. This study will show the effect of bioactive compounds on hNSCs differentiation in 2D and 3D culture systems. / Bioengineering

Two new homologous series of amphiphiles–five long-chain, three-headed amphiphiles [3CCb14, 3CCb16, 3CCb18, 3CCb20, 3CCb22; CH3(CH2)n-1OCONHC(CH2CH2COOH)3, n = 14, 16, 18, 20, 22], and six branched-chain, three-headed amphiphiles [3CCb1(7,7), 3CCb1(8,8), 3CCb1(9,9), 3CCb1(10,10), 3CCb1(11,11), 3CCb1(12,12); (CH3(CH2)n-1)2CHOCONHC(CH2CH2COOH)3, n = 7, 8, 9, 10, 11, 12]–were synthesized. The synthesis of the 3CCbn series was accomplished in two steps from Weisocyanate™ and the long chain alcohol in good yields of chromatographed products (65–81%). The 3CCb1(n,n) series was similarly synthesized from Weisocyanate™ and the two-tailed symmetric alcohol (produced from a reaction of alkyl magnesium bromide and ethyl formate) in good yields of chromatographed products (71–84%). CMC data were collected by pendent-drop technique for the 3CAmn, 3CCbn, 3CUrn, and 3CCb1(n,n) series of amphiphiles to establish the concentration required for detergency. The triethanolammonium salt provided better solubility and higher CMCs of these amphiphiles than the potassium salt. All amphiphilic series tested lowered the solution surface tension from ~ 72 mN/m to ~ 50–55 mN/m, indicating that these amphiphiles are less surface active than typical surfactants such as sodium dodecyl sulfate. The CMCs for the 3CAmn series were found to decrease in value from 2 × 10⁻² M (3CAm15) to 2 × 10⁻³ M (3CAm21) in a linear fashion. The CMCs for the 3CCbn series were found to decrease in value from 7 × 10⁻³ M (3CCb16) to 0.4 × 10⁻³ M (3CCb22) in a linear fashion. The CMCs for the 3CUrn series were found to decrease in value from 2 × 10⁻³ M (3CUr18) to 1 × 10⁻³ M (3CUr22) in a linear fashion. Due to discrepancies in several of the IFT vs. log concentration plots for the previous homologous series of amphiphiles, the CMC data was collected using a pyrene fluorescence measurement technique. The data from the pyrene fluorescence technique seems likely to be more accurate, indicating that surface tension may not be the most reliable method for determining the CMC of these amphiphiles. The CMCs (as determined by pyrene fluorescence) for the 3CAmn series were found to decrease in value from 2 × 10⁻² M (3CAm15) to 2 × 10⁻³ M (3CAm21) in a linear fashion. The CMCs for the 3CCbn series were found to decrease in value from 7 × 10⁻³ M (3CCb16) to 0.3 × 10⁻³ M (3CCb22) in a linear fashion. The CMCs for the 3CUrn series were found to decrease in value from 7 × 10⁻³ M (3CUr16) to 0.2 × 10⁻³ M (3CUr22) in a linear fashion. In both the surface tension and the pyrene fluorescence techniques, the shortest chain length homologues (3CAm13, 3CCb14, and 3CUr14) did not show a break up to the limits of solubility. The CMCs as determined by surface tension for the 3CCb1(n,n) series were found to decrease in value from 0.5 × 10⁻³ M (3CCb1(9,9)) to 0.02 × 10⁻³ M (3CCb1(12,12)) in a linear fashion. The 3CCb1(8,8) and 3CCb1(7,7) amphiphiles did not show a CMC break up to the limits of solubility. The 3CCb1(12,12) showed an unusually steep decrease in surface tension over a very narrow range of concentration. There is considerable doubt as to the accuracy of the 3CCb1(11,11) data, and the CMCs for these two-tailed amphiphiles needs to be measured by a second method as was done for the single-tail series to verify the CMCs of all the two-tail homologues. Activity (minimal inhibitory concentrations, MICs) for the 3CAmn, 3CCbn, 3CUrn, 3CCb1(n,n), 2CAmn, and 2CCbn series was measured against several different bacteria, mycobacteria, yeast, and fungi. Additionally, anti-HIV and cytotoxicity data was collected for the 3CAmn, 3CCbn, and 3CUrn series. Greatest inhibition was typically seen from the 18–20 carbon tail length homologues of each series (3CAm19–3CAm21, 3CCb18–3CCb20, 3CUr18–3CUr20, 2CAm19–2CAm21, and 2CCb18–2CCb20). Inoculum density affected the activity of our earlier studies, and selected organisms were retested to obtain the intrinsic activity. 3CUr18 and 3CAm19 proved most effective against Mycobacterium smegmatis, with MIC99 = 6.3 μM @ 10⁵ CFU/mL inoculum density. 3CCb20 was most effective against Mycobacterium marinum with MIC99 = 16 μM @ 10⁵ CFU/mL inoculum density. 3CAm19, 3CCb18, and 3CUr18 all showed equivalent activity against Mycobacterium chelonae with MIC99 = 17 μM @ 10⁵ CFU/mL inoculum density. Against Staphylococcus aureus, the 2CAm21 was most effective, with MIC90 = 2.0 μM @ 10⁵ CFU/mL inoculum density. 3CCb20 was most effective against MRSA with MIC90 = 2.9 μM @ 10⁵ CFU/mL inoculum density. The two-tailed analogs (3CCb1(n,n), 3CUr(n,n), and 3CUr1(n,n)) typically showed little to no activity against the tested microorganisms. Comparison of MIC to CMC is a relative measure of safety of a drug candidate. All single-tail amphiphiles showed ratios of MIC/CMC of 16–126, with a ratio of 100 or better being optimal. The ratios for the two-tail amphiphiles ranged from 0.39 to 2.9. / Ph. D.

Dans le domaine de la séparation sélective pour le traitement et la valorisation des combustibles nucléaires usés, l'extraction liquide-liquide est largement utilisée au niveau industriel. Cependant dans le cadre des technologies nucléaires du futur, des procédés alternatifs de séparation sont recherchés. Notamment la précipitation sélective d'actinides par des tensioactifs cationiques en milieu aqueux (l'extraction liquide-solide étudié par Heckmann et al dans les années 80) apparaît comme une approche intéressante. Le principal avantage de cette technique, comparée à l'extraction liquide-liquide, est lié à la diminution du nombre d'étapes dans le processus comme le lavage du solvant ou la désextraction des métaux. De plus, c'est une technique sans solvant organique ce qui réduit considérablement la quantité de déchets contaminés. Pour ces travaux de thèse, nous avons utilisé des méthodes physico-chimiques pour mieux comprendre l'interaction spécifique entre le cation métallique et le tensioactif cationique. Nous avons tout d'abord analysé l'effet spécifique des contre-ions anioniques (Cl-, NO3-, C2O42-) provenant des acides utilisés; puis nous avons étudié finement l'introduction de cations alcalins monovalents et quelques cations multivalents sélectionnés (Cu2+, Zn2+, UO22+, Fe3+, Nd3+, Eu3+, Th4+) sur l'auto-assemblage et les propriétés structurels du tensioactif en variant les conditions thermodynamiques. Nous en avons conclu que l'adsorption d'un complexe anionique stable du métal, à l'interface des agrégats micellaires, influence fortement les paramètres d'agrégation du tensioactif et détermine ainsi les limites d'utilisation de cette technique de séparation. / In the field of selective separation for recycling of spent nuclear fuel, liquid-liquid extraction processes are widely used (PUREX, DIAMEX …) in industrial scale. In order to guarantee a sustainable nuclear energy for the forthcoming generations, alternative reprocessing techniques are under development. One of them bases on the studies from Heckmann et al in the 80's and consists in selectively precipitating actinides from aqueous waste solutions by cationic surfactants (liquid-solid extraction). This technique has some interesting advantages over liquid-liquid extraction techniques, because several steps are omitted like stripping or solvent washing. Moreover, the amount of waste is decreased considerably, since no contaminated organic solvent is produced. In this thesis, we have carried out a physico-chemical study to understand the specific interactions between the metallic cations with the cationic surfactant. First, we have analysed the specific effect of the different counter-ions (Cl-, NO3-, C2O42-) and then the effect of alkaline cations on the structural properties of the surfactant aggregation in varying thermodynamical conditions. Finally, different multivalent cations (Cu2+, Zn2+, UO22+, Fe3+, Nd3+, Eu3+, Th4+) were considered; we have concluded that depending on the anionic complex of these metals formed in acidic media, we can observe either an adsorption at the micellar interface or not. This adsorption has a large influence of the surfactant aggregation properties and determines the limits of the application in term of ionic strength, temperature and surfactant concentration.

Au cours du 21ème siècle, les techniques de fluorescence ont montré une expansion considérable dans l’étude du mécanisme du vivant. Un progrès majeur dans le développement, la conception et les applications de divers types de chromophores organiques ont été achevés. Bien que largement utilisés, les sondes fluorescentes les plus utilisées souffrent encore de quelques limitations qui diminuent leur étendue d'action. Les plus problématiques sont : un nombre restreint de familles de chromophores, une faible résistance au photoblanchiment, une faible solubilité aqueuse, une durée de vie de fluorescence relativement courte, etc…. A ce titre, le développement de nouveaux motifs organiques inédits, compacts et possédants des propriétés de fluorescence alternatives et/ou complémentaires aux fluorophores usuels organiques reste plus que jamais d’actualité. Dans ce contexte, les noyaux 1,3a, 6a-triazapentalènes nous sont apparus particulièrement prometteuses et encore très peu exploitées. Dans ce manuscrit, il est décrit la synthèse de noyaux tricycliques et tétracycliques comportant ce motif, obtenus par substitution nucléophiles aromatiques, suivi d’une thermolyse. La modulation de ces noyaux a ensuite été effectuée par couplage métallo-catalysé. L’évaluation photophysique de ces composés révèle des propriétés spectroscopiques remarquables comme des rendements quantiques supérieurs à 50%, des déplacements de Stokes d’environ 100 nm et des longueurs d’ondes d’émission allant de 450 à 650 nm. Le dernier volet de cette thèse a porté sur l’imagerie cellulaire, qui nous a permis d’évaluer les meilleurs fluorophores sur cellules vivantes. / Over the last two decades, fluorescence technologies have shown a spectacular spreading in biological research. Major progress in the development, design, and purposeful application of various types of organic chromophores was achieved. Although widely used, the most commonly fluorescent probes still suffer from some limitations which decrease their use in the field of life sciences. The most problematic ones are: low scaffold diversity, high sensitivity to photobleaching, low water solubility and modest Stokes Shift… In this context, the main idea of our work focuses on the development of novel organic motifs responding to the conventional fluorophores issues. The 1,3a, 6a-triazapentalene moiety represents a real interest in this field with its promising optical properties. In this manuscript, the syntheses of tricyclic and tetracyclic derivatives containing this scaffold were obtained by aromatic nucleophilic substitution followed by the thermolysis cyclization. The modulation of these cores was then allowed by various organometallic cross of these compounds provides remarkable spectroscopic properties, as quantum yields above 50%, Stokes shift around 100 nm, and emission wavelengths between 450 and 650 nm. The last part of this thesis was focused on cellular imaging, that allowed us to evaluate the best fluorophores in living cells.

Ce manuscrit décrit la synthèse et l’étude physico-chimique de tensioactifs innovants utilisés comme outils biochimiques pour le maintien et la cristallisation de protéines membranaires en solution aqueuse. Un premier chapitre présente les moyens techniques actuels à disposition pour la manipulation et l’étude des protéines membranaires ainsi que les problèmes rencontrés concernant leur inactivation et les alternatives actuelles. Une seconde partie décrit la synthèse d’un lipide hémifluoré possédant un ligand métallique spécifique, qui a été utilisé pour la formation d’un film de Langmuir. Les propriétés du film lipidique (stabilité et fluidité) ont été étudiées et des essais de cristallisation 2D suivant le concept interfacial ont été réalisés sur une protéine recombinante SUR1 « his tag » solubilisée dans des micelles de détergents hydrocarbonés. Le troisième chapitre aborde la notion d’amphiphilie faciale et décrit la synthèse de tensioactifs glucosidiques par « click chemistry » basés sur corps aromatique central. La persubsitution sélective de têtes hydrophiles sur les positions 1,3,5 et de parties hydrophobes sur les positions 2,4,6 apporte une amphiphilie aux molécules via une ségrégation faciale. Enfin, le dernier chapitre est dédié à l’étude du comportement et des propriétés physico-chimiques des tripodes amphiphiles faciaux en solution aqueuse grâce à différentes techniques : tensiométrie, diffusion de la lumière, CPLH,... / This thesis deals with the synthesis and the physico-chemical study of new surfactants used as tools for holding membrane proteins in aqueous media. A first part presents the existing methods that allow the manipulation of the membrane proteins and describes the current issues encountered which lead to its denaturation. In a second chapter, the synthesis of a hemifluorinated lipid with a specific ligand is presented in order to form a film of Langmuir. The stability and fluidity of the monolayer lipid is monitored and used in experiments of cristallisation 2D following the interfacial concept on the recombinant membrane protein SUR1 « his tag » keep soluble in water with hydrocarbonated detergents. The third part defines the term associated to facial amphiphile and presents a synthesis by « click chemistry » of glucosidic surfactants with an aromatic core persubstitued. The alternated and selective substitution on 1,3,5 and 2,4,6 positions of the aromatic ring by respectively hydrophilic heads and hydrophobic tails induces a facial segregation. The last chapter concerns the study of facial amphiphiles behavior and its physico-chemical properties in aqueous solution by using several methods : tensiometry, dynamic diffusion light scattering, HPLC,...

Le but de ce projet est de synthétiser des peptides amphiphiles ayant une partie structurante en feuillet beta afin d'obtenir des micelles cylindriques. La partie hydrophile du peptide est associée à un polymère qui va être le support de la membrane car le peptide seul ne se structure qu'en micelle cylindrique. Une fois la membrane créée, le peptide peut être enlevé ou alors laissé au sein de la membrane et cette membrane a des applications dans la filtration spécifique car elle est nanostructurée. / The goal of this project is to synthesize amphphilic peptides with a structuring part in beta sheet in order to obtain cylindrical mycelles. The hydrophylic part of the peptide is associated to a polymer which will be the support of the membrane because the peptide itself doesn't associate to crate a membrane. With the membrane, we can remove the peptide or not and this membrane has specific filtration properties since it is nanostructured.

L'auto-assemblage en solution aqueuse des copolymères di-blocs amphiphiles à base de polystyrène (hydrophobe) et de poly(acide acrylique) (hydrophile et polyélectrolyte) est connue et décrit dans la littérature. Ils mènent à la formation d'agrégats dynamiquement « gelés » (indissociables et insensibles à divers stimuli tels que le pH). L'objectif de cette thèse était d'obtenir une agrégation pH-sensible réversible de copolymère à base de PS et de PAA.<br />La polymérisation par l'intermédiaire de nitroxyle , nous a permis de synthétiser des copolymères di-blocs classiques PS-b-PAA mais aussi un type de copolymère original constitué d'un bloc pur de PAA et d'un second bloc à gradient de composition PS-grad-PAA. Le passage d'agrégats gelés, pour les copolymères PS-b-PAA, à des micelles dynamiques et une micellisation réversible pH-sensible pour les copolymères à gradient de composition a été mis en évidence. <br />Nous avons aussi greffés chimiquement ces copolymères à gradient de composition sur des surfaces de silicium. Un comportement similaire à celui révélé en solution a alors été observé. Il est ainsi possible de moduler, de manière réversible, la structure de la surface selon le pH. A bas pH, on forme une surface rugueuse du fait de la présence d'agrégats et à pH basique on obtient une surface hydrophile homogène.<br />L'ensemble des résultats, que ce soit en solution ou sur des surfaces greffées, montrent la grande complexité de comportement de ce nouveau type de copolymère amphiphile et ouvre la voie à de nombreuses applications comme l'encapsulation ou le re-largage de principes actifs et formations de bio-récepteurs ou bio-capteurs.

Ce manuscrit décrit la synthèse et l'étude physico-chimique de tensioactifs innovants utilisés comme outils biochimiques pour le maintien et la cristallisation de protéines membranaires en solution aqueuse. Un premier chapitre présente les moyens techniques actuels à disposition pour la manipulation et l'étude des protéines membranaires ainsi que les problèmes rencontrés concernant leur inactivation et les alternatives actuelles. Une seconde partie décrit la synthèse d'un lipide hémifluoré possédant un ligand métallique spécifique, qui a été utilisé pour la formation d'un film de Langmuir. Les propriétés du film lipidique (stabilité et fluidité) ont été étudiées et des essais de cristallisation 2D suivant le concept interfacial ont été réalisés sur une protéine recombinante SUR1 « his tag » solubilisée dans des micelles de détergents hydrocarbonés. Le troisième chapitre aborde la notion d'amphiphilie faciale et décrit la synthèse de tensioactifs glucosidiques par « click chemistry » basés sur corps aromatique central. La persubsitution sélective de têtes hydrophiles sur les positions 1,3,5 et de parties hydrophobes sur les positions 2,4,6 apporte une amphiphilie aux molécules via une ségrégation faciale. Enfin, le dernier chapitre est dédié à l'étude du comportement et des propriétés physico-chimiques des tripodes amphiphiles faciaux en solution aqueuse grâce à différentes techniques : tensiométrie, diffusion de la lumière, CPLH,...

The Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) process using the new RAFT agent benzyldithiophenyl acetate is shown to be a powerful polymerization tool to synthesize novel well-defined amphiphilic diblock copolymers composed of the constant hydrophobic block poly(butyl acrylate) and of 6 different hydrophilic blocks with various polarities, namely a series of non-ionic, non-ionic comb-like, anionic and cationic hydrophilic blocks. The controlled character of the polymerizations was supported by the linear increase of the molar masses with conversion, monomodal molar mass distributions with low polydispersities and high degrees of end-group functionalization. <br><br> The new macro-surfactants form micelles in water, whose size and geometry strongly depend on their composition, according to dynamic and static light scattering measurements. The micellization is shown to be thermodynamically favored, due to the high incompatibility of the blocks as indicated by thermal analysis of the block copolymers in bulk. The thermodynamic state in solution is found to be in the strong or super strong segregation limit. Nevertheless, due to the low glass transition temperature of the core-forming block, unimer exchange occurs between the micelles. Despite the dynamic character of the polymeric micellar systems, the aggregation behavior is strongly dependent on the history of the sample, i.e., on the preparation conditions. The aqueous micelles exhibit high stability upon temperature cycles, except for an irreversibly precipitating block copolymer containing a hydrophilic block exhibiting a lower critical solution temperature (LCST). Their exceptional stability upon dilution indicates very low critical micelle concentrations (CMC) (below 4∙10^-4 g∙L^-1). All non-ionic copolymers with sufficiently long solvophobic blocks aggregated into direct micelles in DMSO, too. Additionally, a new low-toxic highly hydrophilic sulfoxide block enables the formation of inverse micelles in organic solvents. <br><br> The high potential of the new polymeric surfactants for many applications is demonstrated, in comparison to reference surfactants. The diblock copolymers are weakly surface-active, as indicated by the graduate decrease of the surface tension of their aqueous solutions with increasing concentration. No CMC could be detected. Their surface properties at the air/water interface confer anti-foaming properties. The macro-surfactants synthesized are surface-active at the interface between two liquid phases, too, since they are able to stabilize emulsions. The polymeric micelles are shown to exhibit a high ability to solubilize hydrophobic substances in water. / Amphiphile sind Moleküle, die aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Molekülteil aufgebaut sind. Beispiele für Amphiphile sind Tenside, deren makromolekulares Pendant amphiphile Block-Copolymere sind, die häufig auch als Makro-Tenside bezeichnet sind. Ihre Lösungseigenschaften in einem selektiven Lösungsmittel, i.e., ein für einen Block gutes und für den anderen schlechtes Lösungsmittel, sind analog zu denen von Tensiden. Die Unverträglichkeit der Polymersegmente führt zu einer von hydrophoben Wechselwirkungen getriebenen Mikrophasenseparation, d.h. zur Selbstorganisation der amphiphilen Makromoleküle zu Mizellen unterschiedlichster Form, während die kovalente Bindung zwischen den Blöcken eine Makrophasenseparation verhindert. Aufgrund ihres besonderen strukturellen Aufbaus adsorbieren Makro-Tenside an Grenzflächen, was zahlreiche Anwendungen, z.B. zur (elektro)sterischen Stabilisierung von Emulsionen und Dispersionen findet. <br><br> Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die neuen kontrollierten radikalischen Polymerisationen wie die RAFT-Methode („Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer“) für die Synthese von neuen wohldefinierten amphiphilen Diblock-Copolymerstrukturen sehr gut geeignet sind. Eine Reihe von neuen amphiphilen Diblock-Copolymeren wurde mittels RAFT synthetisiert, mit einem konstanten hydrophoben Block und verschiedenen hydrophilen Blöcken unterschiedlichster Polaritäten. Die engen Molmassenverteilungen und der lineare Aufstieg der Molmassen mit dem Umsatz belegen den kontrollierten Charakter der Polymerisation. <br><br> Die thermodynamisch favorisierte Selbstorganisation der synthetisierten Blockcopolymere in Wasser führt zur Bildung von Mizellen, deren Eigenschaften aber von der Präparationsmethode stark abhängig sind. Korrelationen zwischen den Mizelleigenschaften und der Blockcopolymerstruktur zeigen, dass die Mizellgröße vor allem von der Länge des hydrophoben Blocks kontrolliert wird, wohindagegen die Natur des hydrophilen Blocks der entscheidende Faktor für die Mizellgeometrie ist. Die gebildeten Mizellen sind besonders stabil gegenüber Verdünnung und Temperaturzyklen, was ein großer Vorteil für eventuelle Anwendungen ist. Wegen der niedrigen Glasübergangstemperatur des hydrophoben Blocks findet ein Austausch von Makromolekülen zwischen den Mizellen statt, d.h. es handelt sich um dynamische Mizellsysteme. <br><br> Das Potential der neuen Makrotenside für Anwendungen wurde untersucht. Die Polymermizellen zeigen eine hohe Kapazität wasserunlösliche Substanzen in Wasser zu solubilisieren. Die Blockcopolymere sind grenzflächenaktiv, d.h. sie adsorbieren an Wasser / Luft oder Wasser / Öl Grenzflächen. Entsprechend sind die Blockcopolymere in der Lage, Emulsionen zu stabilisieren oder als Antischaumsubstanzen zu wirken.