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Today, drugs are an integral part of healthy human life, with new drug entities being introduced every year in clinic. The advancement of drug development brings complexity and variation, in terms of both physical and chemical properties. Some of these physicochemical characteristics are many times suboptimal, eventually requiring robust delivery systems that can precisely deliver the drugs to the desired tissues. Although many materials have been studied for the generation of drug delivery systems, there is always a need for biomaterials with better properties that can translate into superior delivery systems. In this context, new drug delivery systems that are interface-engineered at materials level for better stability and delivery efficiency in vitro and in vivo are introduced in this dissertation. In the first part of the dissertation, novel oil/water interface-engineered amphiphilic block copolymer micelles that were previously introduced by our lab were assessed for their stability in the presence of various esterase enzymes present in serum and on blood vessel walls, normally encountered by drug delivery systems on route to the targeted tissues. I also assessed the vulnerability of the polymeric micelles in presence of enzymes typically present either inside the tumor cells or secreted in the tumor microenvironment. I revealed the selective stability of empty- and docetaxel-loaded polymeric micelles to enzymatic degradation en route/in tumors and I have correlated this selective stability with polymer structure and interfacial engineering mentioned above. The unique delivery capabilities of interfacial-engineered polymeric micelles were tested in vivo using a mouse model of triple negative breast cancer. We proved that our novel engineered triblock copolymer-based drug delivery systems are superior to similar delivery systems made out of standard diblock copolymer micelles and also to the clinically used Taxotere® formulation towards cancer cell killing and tumor treatment, without displaying any significant toxicity in experimental animals. The second part of the dissertation focuses on the development and assessment of a pyridinium-based pseudo-gemini surfactant that combined the high nucleic acid packaging capacity of pyridinium lipids with the high transfection efficiency of gemini surfactants while displaying a reduced associated cytotoxic effect. I have analyzed the temperature treatment on compaction of nucleic acids into lipoplexes and I have established a high temperature annealing method for this purpose. This novel formulation technique allowed a substantial reduction of the amount of amphiphiles required to compact a specific amount of nucleic acids. This in turn also reduced the cytotoxic effect associated with the use of pyridinium amphiphiles. The effect of inclusion of colipids to lipoplex compaction, the robustness and the transfection efficiency of the lipid/nucleic acid lipoplex systems were assessed in detail, and correlations between formulation composition and biological activity were established. I was also able to show for the first time that pyridinium pseudo-gemini surfactants were able to compact different types of nucleic acids, including pDNA, mRNA and siRNA at lower charge ratios than standard, state-of-the art formulations used for this purposes. I also showed that irrespective to the nucleic acid compacted within the lipoplexes, the novel amphiphiles can efficiently deliver the cargo into the targeted cells even in the presence of very high concentration of serum, a premise for future use of these amphiphiles and formulations in vivo. / Pharmaceutical Sciences

Au cours des 25 dernières années, l’intérêt pour l’utilisation de semi-conducteurs organiques comme couche active dans les transistors à effet de champ (TOECs), à la place du silicium, a crû spectaculairement. L’utilisation de polymères π-conjugués dans ce domaine a grandement entraîné cet essor. Au fil du temps, on observe une amélioration des performances atteintes contribuant à l’émergence de nouveaux matériaux. Par contre, différents paramètres tels que la mobilité et la stabilité demeurent moins impressionnants que ceux des semi-conducteurs à base de matériaux inorganiques. De meilleurs résultats pourraient être obtenus si le transport de charges se faisait sans entraves. Ainsi, une très bonne organisation au sein des matériaux utilisés est nécessaire. Dans cette optique, des polymères conjugués amphiphiles constitués d’unités thiéno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (TPD) ont été synthétisés. En se servant de la technique Langmuir-Blodgett (LB) pour optimiser l’organisation des molécules au sein des films, il a été possible de réaliser des films stables avec des pressions de collapse de 60 mN/m. Les microscopies à angle de Brewster (BAM) et à force atomique (AFM) nous ont démontré l’homogénéité des films à l’interface air-eau (BAM) et une fois transférés sur un substrat solide (AFM). L’orientation a été étudiée principalement par spectroscopie infrarouge à réflexion totale atténuée (ATR). D’autres techniques spectroscopiques comme l’UV-visible, la spectroscopie infrarouge de réflexion absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) et l’ellipsométrie ont permis de corroborer les résultats obtenus via l’ATR. Les mesures ont permis de confirmer l’obtention de l’orientation préférentielle hors du plan. Pour compléter ce projet, des tests ont été effectués avec des transistors organiques. Des valeurs de mobilité intéressantes de 1,2 × 10-3 cm2/(V.s) ont été enregistrées pour des transistors obtenus à partir de films LB. / Over the past 25 years, interest in the use of organic semiconductors as active layers in field effect transistors (TFTs) instead of silicon has grown dramatically. The use of π-conjugated polymers in this area has greatly driven this growth. Over time, there has been an improvement in performance achieved contributing to the emergence of new materials. However, the performances of organic semiconductors remains inferior that of their inorganic counterpart regarding parameters such as the mobility and stability. Better results could be achieved if the charge transport was done without hindrance. Thus, a very good organiza- tion within the material is needed. In this regard, amphiphilic polymers based on thieno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (TPD) units were synthesized. By using the Langmuir-Blodgett technique (LB) to optimize the organization of the molecules within the films, it was possible to achieve stable films with a collapse pressure of 60 mN/m. Brewster angle (BAM) and atomic force (AFM) microscopies have demonstrated that homogeneous films are obtained at the air-water interface (BAM) and remain so once transferred onto a solid substrate (AFM). Orientation has been studied mainly by attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR). Other spectroscopic techniques such as UV-visible, absorption polarization modulation infrared reflection spectroscopy (PM-IRRAS) and ellipsometry have confirmed the ATR results. Measurements show that molecules adopted an edge-on orientation in the polymer films. To complete this project, organic transistors were fabricated. Interesting mobility values of 1.2 × 10-3 cm2/(V.s) were recorded for organic LB film transistors.

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments. / Liposomes are promising and versatile nanocarriers suitable for potential applications in many fields. A decade ago, a new type of liposomes formed from monoalkylated amphiphiles and sterols was born somehow fortuitously in our group. They are referred to as Sterosomes, because they contain a large proportion of sterols, between 50 and 70 mol %. The objectives of the present thesis are to develop novel Sterosome formulations with specific features, and to gain a deeper understanding of the physicochemical rules that dictate their phase behavior. We have specifically examined the role of the molecular features of sterols, of the interfacial charges and of the H-bond capacity in the intermolecular interactions leading to the self-assembly. The phase behavior was characterized by differential scanning calorimetry (DSC), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance spectroscopy of deuterium (2H NMR). First, we have established some correlations between the structure of the sterols, the propensity to form fluid bilayers, and the permeability of the resulting large unilamellar vesicles (LUVs). The nature of the sterol modulates the properties of the mixture with palmitic acid (PA). Sterols bearing a bulky tail chain at C17 are less capable to induce fluid bilayers than those with a non-bulky tail chain, like that of cholesterol. A large ordering of the alkyl chain of PA is an effect exhibited by all of the investigated sterols. It is shown that the permeability of the LUVs can be controlled using different sterols. However, these sterols have no significant impact on the pH-sensitivity of Sterosomes. In order to create liposomes that are pH-sensitive and that have a positive surface charge, Sterosomes composed of stearylamine and cholesterol (Chol) were designed and characterized. It is concluded that the protonation/deprotonation state of the amine (in this work) and carboxylic acid (in previous work) groups confers the pH-sensitivity and determines the surface charge of the liposomes. The first completely neutral Sterosomes were crafted based on the creation of strong intermolecular hydrogen bond networks. The sulfoxide group was capable of forming strong hydrogen bonds with cholesterol and water molecules. In an equimolar octadecyl methyl sulfoxide (OMSO)/Chol mixture, a metastable fluid bilayer was obtained at room temperature. This distinct phase behavior allowed extruding the mixtures to form LUVs at room temperature. After 30 h, the life-time of the metastable phase, stable and impermeable Sterosomes still existed in the solid form. A temperature–composition diagram was proposed to summarize the phase behavior of OMSO/Chol mixtures. Finally, a further step was made to prepare “stealth” Sterosomes by incorporating polyethylene glycol (PEG) with a cholesterol anchor (PEG-Chol) at the interface of PA/Chol Sterosomes. Up to 20 mol % PEG-Chol can be introduced without disturbing the bilayer structure. The presence of PEG-Chol had no significant impact on the permeability of the resulting LUVs. Active-loading of an anti-cancer drug, doxorubicin, can be achieved despite the low permeability of these LUVs and the presence of the PEG at the interface. The inclusion of PEG modified considerably the interface properties and decreased significantly the pH-triggered release observed with naked PA/Chol LUVs. This novel formulation is potentially useful for the application of intravenous administration in the drug delivery field.

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments. / Liposomes are promising and versatile nanocarriers suitable for potential applications in many fields. A decade ago, a new type of liposomes formed from monoalkylated amphiphiles and sterols was born somehow fortuitously in our group. They are referred to as Sterosomes, because they contain a large proportion of sterols, between 50 and 70 mol %. The objectives of the present thesis are to develop novel Sterosome formulations with specific features, and to gain a deeper understanding of the physicochemical rules that dictate their phase behavior. We have specifically examined the role of the molecular features of sterols, of the interfacial charges and of the H-bond capacity in the intermolecular interactions leading to the self-assembly. The phase behavior was characterized by differential scanning calorimetry (DSC), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance spectroscopy of deuterium (2H NMR). First, we have established some correlations between the structure of the sterols, the propensity to form fluid bilayers, and the permeability of the resulting large unilamellar vesicles (LUVs). The nature of the sterol modulates the properties of the mixture with palmitic acid (PA). Sterols bearing a bulky tail chain at C17 are less capable to induce fluid bilayers than those with a non-bulky tail chain, like that of cholesterol. A large ordering of the alkyl chain of PA is an effect exhibited by all of the investigated sterols. It is shown that the permeability of the LUVs can be controlled using different sterols. However, these sterols have no significant impact on the pH-sensitivity of Sterosomes. In order to create liposomes that are pH-sensitive and that have a positive surface charge, Sterosomes composed of stearylamine and cholesterol (Chol) were designed and characterized. It is concluded that the protonation/deprotonation state of the amine (in this work) and carboxylic acid (in previous work) groups confers the pH-sensitivity and determines the surface charge of the liposomes. The first completely neutral Sterosomes were crafted based on the creation of strong intermolecular hydrogen bond networks. The sulfoxide group was capable of forming strong hydrogen bonds with cholesterol and water molecules. In an equimolar octadecyl methyl sulfoxide (OMSO)/Chol mixture, a metastable fluid bilayer was obtained at room temperature. This distinct phase behavior allowed extruding the mixtures to form LUVs at room temperature. After 30 h, the life-time of the metastable phase, stable and impermeable Sterosomes still existed in the solid form. A temperature–composition diagram was proposed to summarize the phase behavior of OMSO/Chol mixtures. Finally, a further step was made to prepare “stealth” Sterosomes by incorporating polyethylene glycol (PEG) with a cholesterol anchor (PEG-Chol) at the interface of PA/Chol Sterosomes. Up to 20 mol % PEG-Chol can be introduced without disturbing the bilayer structure. The presence of PEG-Chol had no significant impact on the permeability of the resulting LUVs. Active-loading of an anti-cancer drug, doxorubicin, can be achieved despite the low permeability of these LUVs and the presence of the PEG at the interface. The inclusion of PEG modified considerably the interface properties and decreased significantly the pH-triggered release observed with naked PA/Chol LUVs. This novel formulation is potentially useful for the application of intravenous administration in the drug delivery field.