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Le stress oxydant se définit comme un déséquilibre entre la production d’espèces oxygénées et azotés réactives et les défenses antioxydants. Ce phénomène est associé à de nombreuses pathologies telles que des maladies neurodégénératives et cardiovasculaires ou des cancers. Pour contrecarrer les dégâts causés par le stress oxydant, l’utilisation d’antioxydants synthétiques s’est avérée intéressante car il devient alors possible de modifier les propriétés physico-chimiques des antioxydants et de leur assurer un meilleur ciblage cellulaire et tissulaire. Nos travaux de recherche se positionnent dans la recherche de nouveaux agents antioxydants synthétiques. Au cours de cette thèse nous nous sommes focalisés sur l’utilisation de l’alpha-phényl-N-tert-butylnitrone (PBN), qui présente une bonne activité pharmacologique contre les dégâts liés aux radicaux libres, et qui est également largement utilisée en tant que sonde analytique pour l’identification d’espèces radicalaires par la technique de piégeage de spin couplée à la résonance paramagnétique électronique (RPE). Dans la première partie de ces travaux de thèse, nous avons tenté d’améliorer les propriétés intrinsèques de la PBN en greffant divers substituants soit sur le cycle aromatique, soit sur le groupement N-tert-butyl de la fonction nitrone. L’analyse des propriétés physico-chimiques et biologiques de ces composés nous a permis de mesurer l’impact de la nature et de la position des substituants sur les propriétés antioxydantes de la PBN. La seconde partie de ces travaux a consisté à greffer le motif PBN sur des structures moléculaires amphiphiles dérivées d’un acide-aminé. Cette deuxième partie a pour but d’améliorer l’activité biologique et la biodisponibilité des dérivés PBN. / Oxidative stress is defined as an unbalance between the production of free radicals and the antioxidant defenses. The oxidative stress state has been associated with several pathologies such as neurodegenerative and cardiovascular diseases or cancers. To prevent oxidative stress-mediated damage, the use of synthetic antioxidants is attractive as it allows to tune their physico-chemical properties as well as their cellular targeting specificity. Of particular interest is the linear alpha-phenyl-N-tert-butylnitrone (PBN) which exhibits pharmacological activity against radical-mediated pathophysiological conditions and has been widely used as analytical reagent for the identification of radical species by the spin-trapping method coupled to electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. In this thesis report, we first tried to improve the intrinsic antioxidant properties of PBN by grafting various substituents either onto the aromatic ring or the N-tert-butyl-group of the nitronyl function. The physico-chemical and biological properties of the compounds were then determined. With optimized nitrone derivatives in hand, the second part of this project consisted in improving the bioactivity and bioavailability of our nitrone agents using amphiphilic carriers or specific targeting ligands.

There is a demand for new straightforward approaches for stabilization and solubilization of various nanoparticulate materials in their colloidal form, that pave way for fabrication of materials possessing compatibility with wide range of dispersing media. Therefore in this thesis a new general method to form stable nanocrystals in water and organics using amphiphilic polymers generated through simple and low cost techniques is presented and discussed. Amphiphilic coating agents are formed using thiolated or carboxylated polyethylene glycol methyl ether (mPEG-SH) as a starting material. These materials are available with a wide variety of chain lengths. The method of obtaining of amphiphilic NPs is quite general and applicable for semiconductor CdTe nanocrystals as well as nanoscale noble metal (Au) and magnetic (Fe3O4) particles. This approach is based on anchoring PEG segment to the surface of a nanoparticle to form an amphiphilic palisade. Anchoring is realized via interaction of –SH (for CdTe and Au) or –COOH (in the case of magnetite) functional groups with particle’s surface. The resulting amphiphilicity of the nanocrystals is an inherent property of their surface and it is preserved also after careful washing out of solution of any excess of the ligand. The nanocrystals reversibly transfer between different phases spontaneously, i.e. without any adjustment of ionic strength, pH or composition of the phases. Such reversible and spontaneous phase transfer of nanocrystals between solvents of different chemical nature has a great potential for many applications as it constitutes a large degree of control of nanocrystals compatibility with technological processes or with bio-environments such as water, various buffers and cell media as well as their assembly and self-assembly capabilities.

There is a demand for new straightforward approaches for stabilization and solubilization of various nanoparticulate materials in their colloidal form, that pave way for fabrication of materials possessing compatibility with wide range of dispersing media. Therefore in this thesis a new general method to form stable nanocrystals in water and organics using amphiphilic polymers generated through simple and low cost techniques is presented and discussed. Amphiphilic coating agents are formed using thiolated or carboxylated polyethylene glycol methyl ether (mPEG-SH) as a starting material. These materials are available with a wide variety of chain lengths. The method of obtaining of amphiphilic NPs is quite general and applicable for semiconductor CdTe nanocrystals as well as nanoscale noble metal (Au) and magnetic (Fe3O4) particles. This approach is based on anchoring PEG segment to the surface of a nanoparticle to form an amphiphilic palisade. Anchoring is realized via interaction of –SH (for CdTe and Au) or –COOH (in the case of magnetite) functional groups with particle’s surface. The resulting amphiphilicity of the nanocrystals is an inherent property of their surface and it is preserved also after careful washing out of solution of any excess of the ligand. The nanocrystals reversibly transfer between different phases spontaneously, i.e. without any adjustment of ionic strength, pH or composition of the phases. Such reversible and spontaneous phase transfer of nanocrystals between solvents of different chemical nature has a great potential for many applications as it constitutes a large degree of control of nanocrystals compatibility with technological processes or with bio-environments such as water, various buffers and cell media as well as their assembly and self-assembly capabilities.

La membrane cellulaire est principalement une bicouche phospholipidique constituant une barrière qui régule les échanges entre la cellule et son environnement. Son intérieur hydrophobe empêche le passage d’espèces hydrophiles, chargées, de grande masse moléculaire et polaires, qui sont généralement transportées par des protéines à travers la bicouche. Dans certains cas de systèmes défectueux (e.g. les canalopathies), l’équilibre des concentrations en ions à l’intérieur et à l’extérieur des cellules est perturbé et les cellules sont compromises. C’est pourquoi le développement de transporteurs transmembranaires synthétiques est nécessaire. De nombreux travaux ont été faits dans le développement de transporteurs synthétiques d’anions (particulièrement du chlorure). Dans cette thèse, nous présentons nos travaux sur un nouveau transporteur d’anion appelé axe parapluie, capable de changer de conformation dépendamment de la polarité de son environnement. Dans un premier temps, nous avons conçu le design, puis synthétisé ces axes parapluie qui montrent une importante activité en tant que transporteur de chlorures. Ces composés réunissent deux concepts : - Le parapluie, constitué d’acides biliaires amphiphiles (une face hydrophile, une face hydrophobe). La flexibilité des articulations combinée à la grande surface des acides choliques permettent d’empêcher les interactions défavorables entre les parties hydrophiles et hydrophobes, ce qui facilite l’insertion dans la bicouche. - Un site ammonium secondaire en tant que site de reconnaissance, capable de former des ponts hydrogène avec des ions chlorure. De plus, l’axe peut complexer une roue de type éther couronne pour former un pseudo-rotaxane ou rotaxane parapluie ce qui résulte en l’inhibition partielle de leurs propriétés de transport. Ceci nous mène au second objectif de cette thèse, le développement d’un nouveau moyen de transport pour les médicaments cycliques. Certains macrocycles polaires et biologiquement actifs tels que les nactines ont besoin d’atteindre leur objectif à l’intérieur de la cellule pour jouer leur rôle. La membrane cellulaire est alors un obstacle. Nous avons imaginé tirer profit de notre axe parapluie pour transporter un médicament cyclique (en tant que roue d’un rotaxane parapluie). Les assemblages des rotaxanes parapluie furent accomplis par la méthode de clipage. Le comportement de l’axe et du rotaxane parapluie fut étudié par RMN et fluorimétrie. Le mouvement du parapluie passant d’une conformation fermée à exposée dépendamment du milieu fut observé pour le rotaxane parapluie. Il en fut de même pour les interactions entre le rotaxane parapluie et des vésicules constituées de phospholipides. Finalement, la capacité du rotaxane parapluie à franchir la bicouche lipidique pour transporter la roue à l’intérieur de la vésicule fut démontrée à l’aide de liposomes contenant de la α-chymotrypsine. Cette dernière pu cliver certains liens amide de l’axe parapluie afin de relarguer la roue. / The cell membrane is a phospholipid bilayer barrier that controls the exchanges between the cell and its environment. Its hydrophobic core prevents the entrance of hydrophilic, charged or large polar species that are transported through the bilayer by proteins. In some dysfunctional systems e.g. channelopathies), the balance of ion concentrations between the interior and exterior of the cell is no longer insured and the cell’s health is compromised. That is why the synthesis of synthetic transmembrane transporters is needed. There have been many synthetic anion carriers (especially chloride) developed in this area using different strategies. In this thesis we present our work on a new anion transporter, an umbrella thread. First, we designed and synthesized umbrella threads that showed significant chloride transport activity. These compounds combine two concepts: - the umbrella moiety, made from facial amphiphilic bile acids. The flexibility and large surface of the cholic acids can shield disfavored interactions between hydrophilic and hydrophobic elements that should ease their insertion into the bilayer. - a secondary ammonium recognition site on the thread that can form hydrogen bonds with chloride ions. Furthermore, the thread moiety is able to complex a crown-ether like wheel to form an umbrella pseudo-rotaxane or rotaxane that showed partially inhibited properties for chloride transport. This leads us to the second goal of this thesis, i.e. the development of a new vehicle for drug delivery. Some biologically active polar macrocycles (e.g. nactins) need to reach their target inside the cell to be efficient. The cell membrane also represents an obstacle here. In our work, we imagined using an umbrella thread as the vehicle for the cyclic drug as the wheel of the umbrella rotaxane). The umbrella rotaxanes were successfully assembled by the clipping method. The behavior of both the umbrella thread and umbrella rotaxane was extensively studied by NMR and fluorimetry. The umbrella motion from a shield conformation to an exposed one depending on the environment was observed for the rotaxane. Interactions between the umbrella rotaxane and phospholipid vesicles were also noticed. Finally, its ability to cross the lipid bilayer to deliver the wheel inside the vesicle was shown with α-chymotrypsin-filled liposome assays. This enzyme was able to cleave amide bonds on the umbrella thread to release the wheel.

La membrane cellulaire est principalement une bicouche phospholipidique constituant une barrière qui régule les échanges entre la cellule et son environnement. Son intérieur hydrophobe empêche le passage d’espèces hydrophiles, chargées, de grande masse moléculaire et polaires, qui sont généralement transportées par des protéines à travers la bicouche. Dans certains cas de systèmes défectueux (e.g. les canalopathies), l’équilibre des concentrations en ions à l’intérieur et à l’extérieur des cellules est perturbé et les cellules sont compromises. C’est pourquoi le développement de transporteurs transmembranaires synthétiques est nécessaire. De nombreux travaux ont été faits dans le développement de transporteurs synthétiques d’anions (particulièrement du chlorure). Dans cette thèse, nous présentons nos travaux sur un nouveau transporteur d’anion appelé axe parapluie, capable de changer de conformation dépendamment de la polarité de son environnement. Dans un premier temps, nous avons conçu le design, puis synthétisé ces axes parapluie qui montrent une importante activité en tant que transporteur de chlorures. Ces composés réunissent deux concepts : - Le parapluie, constitué d’acides biliaires amphiphiles (une face hydrophile, une face hydrophobe). La flexibilité des articulations combinée à la grande surface des acides choliques permettent d’empêcher les interactions défavorables entre les parties hydrophiles et hydrophobes, ce qui facilite l’insertion dans la bicouche. - Un site ammonium secondaire en tant que site de reconnaissance, capable de former des ponts hydrogène avec des ions chlorure. De plus, l’axe peut complexer une roue de type éther couronne pour former un pseudo-rotaxane ou rotaxane parapluie ce qui résulte en l’inhibition partielle de leurs propriétés de transport. Ceci nous mène au second objectif de cette thèse, le développement d’un nouveau moyen de transport pour les médicaments cycliques. Certains macrocycles polaires et biologiquement actifs tels que les nactines ont besoin d’atteindre leur objectif à l’intérieur de la cellule pour jouer leur rôle. La membrane cellulaire est alors un obstacle. Nous avons imaginé tirer profit de notre axe parapluie pour transporter un médicament cyclique (en tant que roue d’un rotaxane parapluie). Les assemblages des rotaxanes parapluie furent accomplis par la méthode de clipage. Le comportement de l’axe et du rotaxane parapluie fut étudié par RMN et fluorimétrie. Le mouvement du parapluie passant d’une conformation fermée à exposée dépendamment du milieu fut observé pour le rotaxane parapluie. Il en fut de même pour les interactions entre le rotaxane parapluie et des vésicules constituées de phospholipides. Finalement, la capacité du rotaxane parapluie à franchir la bicouche lipidique pour transporter la roue à l’intérieur de la vésicule fut démontrée à l’aide de liposomes contenant de la α-chymotrypsine. Cette dernière pu cliver certains liens amide de l’axe parapluie afin de relarguer la roue. / The cell membrane is a phospholipid bilayer barrier that controls the exchanges between the cell and its environment. Its hydrophobic core prevents the entrance of hydrophilic, charged or large polar species that are transported through the bilayer by proteins. In some dysfunctional systems e.g. channelopathies), the balance of ion concentrations between the interior and exterior of the cell is no longer insured and the cell’s health is compromised. That is why the synthesis of synthetic transmembrane transporters is needed. There have been many synthetic anion carriers (especially chloride) developed in this area using different strategies. In this thesis we present our work on a new anion transporter, an umbrella thread. First, we designed and synthesized umbrella threads that showed significant chloride transport activity. These compounds combine two concepts: - the umbrella moiety, made from facial amphiphilic bile acids. The flexibility and large surface of the cholic acids can shield disfavored interactions between hydrophilic and hydrophobic elements that should ease their insertion into the bilayer. - a secondary ammonium recognition site on the thread that can form hydrogen bonds with chloride ions. Furthermore, the thread moiety is able to complex a crown-ether like wheel to form an umbrella pseudo-rotaxane or rotaxane that showed partially inhibited properties for chloride transport. This leads us to the second goal of this thesis, i.e. the development of a new vehicle for drug delivery. Some biologically active polar macrocycles (e.g. nactins) need to reach their target inside the cell to be efficient. The cell membrane also represents an obstacle here. In our work, we imagined using an umbrella thread as the vehicle for the cyclic drug as the wheel of the umbrella rotaxane). The umbrella rotaxanes were successfully assembled by the clipping method. The behavior of both the umbrella thread and umbrella rotaxane was extensively studied by NMR and fluorimetry. The umbrella motion from a shield conformation to an exposed one depending on the environment was observed for the rotaxane. Interactions between the umbrella rotaxane and phospholipid vesicles were also noticed. Finally, its ability to cross the lipid bilayer to deliver the wheel inside the vesicle was shown with α-chymotrypsin-filled liposome assays. This enzyme was able to cleave amide bonds on the umbrella thread to release the wheel.