La proline est un acide aminé unique qui se caractérise par un cycle pyrrolidine qui lui confère des propriétés physiques et chimiques spécifiques comparé aux autres 20 acides aminés acycliques retrouvés de façon majoritaire dans le protéome humain. Cette différence se retrouve également dans les motifs polyproline et est utilisée par la Nature en de nombreuses façons comme le repliement des protéines, les mécanismes régulatoires liés à l’activité de certaines protéases, la formation de structures secondaires, le biomarquage de peptides substrats des oligopeptidases, et le clivage des motifs diproline par les proline-proline endopeptidases. La proline a par conséquent été un centre d’intérêt pour les chimistes médicinaux lors du développement d'agents thérapeutiques. Cette thèse se propose d’étudier plusieurs composés biologiquement actifs dérivés de la proline. La première étude relate les avancements liés au composé SH-BC-893, un azacycle contraint dérivé de FTY720 développé au sein du groupe Hanessian. SH-BC-893 est un agent anticancéreux qui permet l’affamement des cellules cancéreuses au travers de la disruption de l’apport des nutriments cellulaires externes et internes. Par son activation de la protéine phosphatase 2A, il permet d’internaliser les récepteurs transmembranaires d’acides aminés et de glucose et de réguler à la baisse les récepteurs de lipides à faible densité. Son action permet également la perturbation de la dégradation de nutriments internes provenant de la macropinocytose et de l’autophagie en prévenant la fusion entre le lysosome et les endosomes respectifs. Afin d’augmenter l’activité de SH-BC-893, deux séries de composés ont été synthétisés et testés en vue d’une activité double. La première série a eu pour but de cibler HDAC2 suite à une étude de Spiegel au sein de laquelle son inhibition a été rapportée pour FTY720. La seconde a visé à obtenir des composés activant d’autres portions ou d’autres homologues de PP2A via l’insertion de fragments tricycliques suite aux études rapportant l’activation de PP2A par des dérivés de composés neuroleptiques tricycliques du type de la perphénazine. La synthèse et les tests biologiques de ces composés sont également décrits. Le deuxième chapitre décrit la synthèse d’une série de morpholines pontées comportant le motif de l’acide gamma-aminobutyrique (GABA) contraint. GABA est un composant prépondérant de la régulation du système nerveux central au travers de son action inhibitrice sur les neurorécepteurs GABA-A, GABA-B, GABA-C. De nombreux agents thérapeutiques inspirés de GABA ont été développés avec les années, notamment baclofen. Les morpholines pontées rapportées ici possèdent un centre quaternaire stéréocontrôlé pour lequel un ensemble de substituants a été varié, incluant le groupement phényle para-chloré du baclofen ainsi que l’iso-butyle de la Pregabalin, autre composé actif dans le système nerveux central dérivé de GABA. La modélisation du dérivé du baclofen a été réalisée au sein du site actif de GABA-B. L’ensemble des composés ont également été modélisés sous forme d’acides aminés au sein de la base de données LLAMA afin de déterminer leur capacité à occuper l’espace de Lead-likeness et confirmer qu’ils satisfont les conditions de Lipinski. La troisième partie décrit la synthèse d’un nouveau mime de diproline, nommé ProCyp. Le dimère est composé d’un noyau pyrrolidine attaché à une unité cyclopentane à l’aide d’un pont méthylène hydroxylé. Les quatre isomères cyclopentanes trans dérivés de la (L)-proline ont été synthétisés et leur stéréochimie absolue a été déterminée par étude RMN et de cristallographie. Ces composés représentent la première forme de mimes de diproline de type ProCyp et peuvent être intégrés au sein de peptidomimétiques afin de mimer l’aspect structurel des diprolines ainsi que l’intermédiaire tétrahédral des ProPro endopeptidases. L’ensemble des isomères disponibles permet de choisir le plus opportun à l’appuis d’études de modélisation. Le dernier chapitre rapporte le développement de deux séries de composés incluant le dimère ProCyp. Les motifs polyproline sont de prime importance pour de nombreux mécanismes de reconnaissance par la Nature, en particulier dans les voies de signalisation dont le dérèglement peut entrainer une myriade de troubles de santé notamment inflammatoires, immunitaires et cancéreux. La première application est centrée sur la synthèse et les tests biologiques de peptidomimétiques du motif riche en proline du peptide p22phox, sous-unité de la NADPH oxidase 2 (NOX2) dont la reconnaissance par le domaine riche en proline de p47phox permet l’assemblage de NOX2 nécessaire à son activité. Lors de stress cellulaire externe, cet assemblage peut devenir excessif et engendrer un excès de production d’espèces réactives d’oxygènes, entrainant un ensemble de biomécanismes délétaires pour l’hôte. Les peptidomimétiques comportent un cœur triproline, dont deux des trois prolines ont été remplacées par le module ProCyp. Le meilleur isomère a été sélectionné sur la base de la modélisation moléculaire afin de mimer les angles de torsion de la triproline correspondant à une hélice de type polyproline II. La deuxième application concerne le développement de peptidomimétiques inhibiteurs de la ProPro endopeptidase (PPEP-1) de Clostridium difficile (C. diff). C. diff a été identifiée comme une des menaces nosocomiales majeures en raison de son caractère opportuniste lorsque la flore intestinale des patients est détruite suite à un traitement impliquant la prise soutenue d’antibiotiques. C. diff possède un arsenal de mécanismes d’évasion et de prolifération au sein de l’hôte incluant la formation de colonies recouvertes d’un biofilm protecteur sur la paroi epithéliale de l’hôte lors de la réponse immunitaire. Ces mécanismes sont complétés à l’aide de peptidases qui leurs permettent de couper les flagelles d’ancrages, dont PPEP-1. Le site de scission P1-P1’ de PPEP-1 implique deux prolines, flanquées par une séquence peptidique clairement identifiée. Une série de peptides basés sur cette séquence dont la diproline centrale a été remplacée par le dimère ProCyp a été synthétisée. L’isomère ProCyp a été choisi sur la base de son recouvrement avec l’heptapeptide cristallisé au sein d’un mutant de PPEP-1 par le Pr. Baumann. / Proline is a unique amino acid characterized by a cyclic side chain that gives it specific physical and chemical properties compared to the other 20 acyclic amino acids found in the human proteome. This difference is also found in polyproline motifs and is used by Nature in many ways such as protein folding, regulatory mechanisms related to the activity of certain proteases, formation of secondary structures, biomarking of peptide substrates of oligopeptidases, and cleavage of diproline motifs by proline-proline endopeptidases. Proline has therefore been a focus of interest for medicinal chemists in the development of therapeutic agents. This thesis proposes to study several biologically active compounds derived from proline. The first study reports on the advances related to the compound SH-BC-893, a constrained azacycle derived from FTY720 developed within the Hanessian group. SH-BC-893 is an anti-cancer agent that allows the starvation of cancer cells through the disruption of external and internal cellular nutrient supply. Through its activation of protein phosphatase 2A, it internalizes transmembrane amino acid and glucose receptors and downregulates low-density lipid receptors. Its action also allows the disruption of internal nutrient degradation from macropinocytosis and autophagy by preventing fusion between the lysosome and the respective endosomes. To enhance the activity of SH-BC-893, two series of compounds were synthesized and tested for dual activity. The first set aimed at targeting HDAC2 following a study by Spiegel in which its inhibition was reported for FTY720. The second set aimed at obtaining compounds activating other portions or homologs of PP2A via the insertion of tricyclic fragments following studies reporting PP2A activation by derivatives of tricyclic neuroleptic compounds of the perphenazine type. The synthesis and biological tests of these compounds are also described. The second chapter describes the synthesis of a series of bridged morpholines with a constrained gamma butyric amino acid (GABA) motif. GABA is a major component of central nervous system regulation through its inhibitory action on GABA-A, GABA-B, GABA-C neuroreceptors. Many therapeutic agents inspired by GABA have been developed over the years, notably baclofen. The bridged morpholines reported here have a stereocontrolled quaternary center for which a variety of substituents have been used, including the para-chlorophenyl of baclofen and the iso-butyl of Pregabalin, another GABA-derived compound active in the central nervous system. The baclofen derivative was modeled within the GABA-B active site. All compounds were also modeled as amino acids within the LLAMA database to determine their ability to occupy the lead-likeness space and confirm that they satisfy the Lipinski conditions. The third part describes the synthesis of a new diproline mime, named ProCyp. The dimer is composed of a pyrrolidine ring attached to a cyclopentane unit by means of a hydroxylated methylene bridge. The four trans cyclopentane isomers derived from (L)-proline were synthesized and their absolute stereochemistry was determined by NMR and crystallographic studies. These compounds represent the first form of ProCyp-type diproline mimes and can be incorporated into peptidomimetics to mimic the structural aspect of diprolines as well as the tetrahedral intermediate of ProPro endopeptidases. The set of available isomers allows to choose the most appropriate one to support modeling studies. The final chapter reports the development of two series of compounds including the ProCyp dimer. Polyproline motifs are of prime importance for many of Nature's recognition mechanisms, particularly in signaling pathways whose dysregulation can lead to a myriad of health disorders including inflammatory, immune and cancerous. The first application is focused on the synthesis and biological testing of peptidomimetics of the proline-rich motif of the peptide p22phox, a subunit of NADPH oxidase 2 (NOX2) whose recognition by the proline-rich domain of p47phox allows the assembly of NOX2 necessary for its activity. During external cellular stress, this assembly can become excessive and lead to an excess of reactive oxygen species production, resulting in a series of deleterious biomechanisms for the host. The peptidomimetics comprise a triproline core, of which two of the three prolines have been replaced by the ProCyp module. The best isomer was selected on the basis of molecular modeling to mimic the torsion angles of the triproline corresponding to a polyproline II helix. The second application concerns the development of peptidomimetics that inhibit the ProPro endopeptidase (PPEP-1) of Clostridium difficile (C. diff). C. diff has been identified as one of the major nosocomial threats due to its opportunistic nature when the intestinal flora of patients is destroyed following treatment with sustained antibiotics. C. diff has an arsenal of mechanisms of escape and proliferation within the host including the formation of colonies covered by a protective biofilm on the host epithelial wall during the immune response. These mechanisms are complemented by peptidases that allow them to cleave anchoring flagella, including PPEP-1. The P1-P1' cleavage site of PPEP-1 involves two prolines, flanked by a clearly identified peptide sequence. A series of peptides based on this sequence with the central diproline replaced by the ProCyp dimer was synthesized. The ProCyp isomer was chosen on the basis of its overlap with the heptapeptide crystallized in a PPEP-1 mutant by Prof. Baumann.

Nous avons synthétisé des composés d'étain avec des acides undécylénique, ricinoléique et caprylique. Ils ont une activité importante contre certaines souches de microrganismes, puisque ils agissent pour certains d’entre eux à des concentrations nanomolaires. Staphylococcus aureus semble être 4000 fois plus sensible à leur toxicité que les cellules de mammifères. Nous avons obtenu des composés du ruthénium qui présentent cytotoxicité contre des cellules cancéreuses suivant un mécanisme d'action différent de ceux observés pour le Cisplatine ou d'autres composés de Ru, grâce à leur grande stabilité dans les réactions de substitution. Enfin, pendant la vectorisation des composés dérivés du Ru avec une Affitine nous avons pu acquérir des connaissances importantes sur un éventuel mécanisme d'action de ce type de molécules dont le potentiel redox très abaissé par rapport aux composés correspondants pourrait être responsable de la polymérisation de protéines cibles par transfert d’électron. / Related to antimicrobial research, we synthesized tin compounds derived from undecylenic, ricinoleic and caprylic acids and we found that they show very high activity against some strains of bacteria and yeast, even in nM range, being up to four thousand times more potent against Staphylococcus aureus than against mammalian cells. For ruthenium compounds, in turn, we have confirmed that the mode of action of some compounds that were synthesized recently is undoubtedly different from Cisplatin or other ruthenium compounds, because of their high stability toward substitution reactions. Finally, during the vectorization of compounds derived from Ru with Affitin we have gained important knowledge about a possible mechanism of action of this type of molecule: it could indeed be possible that these compounds which have a very reduced redox potential compared to corresponding compounds can cause polymerization of proteins by electron transfer.

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est un cancer au pronostic sombre, car il est souvent diagnostiqué trop tardivement pour entreprendre un traitement curatif. Il se développe dans 80-90% des cas sur fond de cirrhose. On connait mal comment la fibrose, étape préliminaire à la cirrhose, et son principal constituant, le collagène de type 1 (COL1), peuvent jouer un rôle dans le processus du CHC. Nous avons tout d’abord étudié le développement de la fibrose dans un modèle utilisant la souris nue. Nous avons déterminé qu’après 16 semaines d’administration de thioacétamide dans l’eau de boisson, il est possible d’obtenir une fibrose suffisante pour induire une hépatoprotection en présence de différents hépatotoxiques (AST dans le sérum de souris fibrotiques vs non-fibrotiques : Anti-Fas JO2 (4665 ± 2596 vs. 13953 ± 2260 U/L; P<0.05), acétaminophène (292 ± 66 vs. 4087 ± 2205 U/L; P<0.01) et CCL4 (888 ± 268 vs. 15673 ± 2782 U/L; P<0.001)). Ces résultats confirment que la présence de COL1 et de fibrose favorise la survie des hépatocytes normaux tel qu’observé précédemment au laboratoire. Par la suite, nous avons sélectionné in vivo, par injection intrasplénique de la lignée de CHC Hepa1-6, une lignée à forte tumorigénicité nommée dt-Hepa1-6 (28±12 lésions vs. 0±0 lésions à 21 jours). Cette lignée était composée d’une sous-population cellulaire arborant la protéine de surface EpCAM (34.0±0.1%). Par tri cellulaire, nous avons démontré que ces cellules étaient partiellement responsables de la tumorigénicité accrue (EpCAM + (86.7±2.3%) :1093±74 lésions vs. EpCAM- (15.3±1.0%) :473±100 lésions; P<0.01). Nous avons alors démontré que la présence de fibrose favorise le développement de la lignée dt-Hepa1-6 in vivo (604±242 vs 22±9 lésions; P<0.05). De plus, la présence de fibrose réduit l’efficacité du traitement au cisplatin in vivo (44.5±4.9 vs. 78.7±6.9%; P<0.01) confirmant les résultats obtenus in vitro (Apoptose : COL1 13.75±0.44% vs. plastique 31.45±1.37%; P<0.001). En conclusion, la présence de fibrose et de son principal constituant, le COL1, favorise la survie et la progression du CHC. / Hepatocellular carcinoma (HCC) is a dreadful pathology, often diagnosed too late to be cured. In 80-90% of cases, it arises in the context of liver cirrhosis. Little is known on the implication of liver fibrosis, one of the key elements of cirrhosis, and its major constituent, type I collagen (COL1), on the development of HCC. We first studied the development of fibrosis in a nude mouse model. We determined that, after 16 weeks of thioacetamide administration in drinking water, we obtained a sufficient degree of fibrosis to reach a hepatoprotective state when animals were exposed to different hepatotoxic agents (Serum AST of fibrotic vs non-fibrotic mice : Anti-Fas JO2 (4665 ± 2596 vs. 13953 ± 2260 U/L; P<0.05), acetaminophen (292 ± 66 vs. 4087 ± 2205 U/L; P<0.01) et CCL4 (888 ± 268 vs. 15673 ± 2782 U/L; P<0.001)). This confirmed that COL1 and the presence of fibrosis protects normal hepatocytes as observed previously in our laboratory. Next, we selected in vivo, by intrasplenic injection of the murine HCC cell line Hepa1-6, a highly tumorigenic cell line that we named dt-Hepa1-6 (28±12 lesions vs. 0±0 lesions at 21 days). This cell line was constituted of cell subsets expressing EpCAM protein at their surface (34.0±0.1%). Through cell sorting, we demonstrated that these cells were partially responsible for the enhanced tumorigenicity observed (EpCAM + (86.7±2.3%) :1093±74 lesions vs. EpCAM- (15.3±1.0%) :473±100 lesions; P<0.01). We then showed that the presence of liver fibrosis increases the development of dt-Hepa1-6 cell line in vivo (604±242 vs 22±9 lesions; P<0.05). Moreover, fibrosis reduced the anti-neoplastic efficacy of cisplatinum in vivo (44.5±4.9 vs. 78.7±6.9%; P<0.01) confirming in vitro results (Apototic index : COL1 13.75±0.44% vs. plastic 31.45±1.37%; P<0.001). In conclusion, fibrosis and its major constituent, COL1, favor the survival and progression of HCC.

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique. / Methotrexate (MTX) cancer therapy requires therapeutic drug monitoring (TDM) for following its levels in a patient during the course of treatment in order to maximize efficacy while minimizing side effects. Despite its narrow therapeutic window, MTX remains until this date, one of the most employed chemotherapy agents. Existing TDM analytical techniques for MTX are costly, time-consuming and labor intensive which are not suitable to promptly generate results within the therapy timeframe. To provide rapid MTX quantification for TDM, a strategy is proposed based on a competitive assay featuring gold nanoparticles and surface plasmonic coupling. More specifically, the inhibition of MTX with its molecular receptor, human dihydrofolate reductase (hDHFR), an enzyme associated with proliferative diseases, is explored. Free MTX mixed with folic acid-functionalized gold nanoparticles (FA-AuNP) are in competition for hDHFR binding sites immobilized on a SPR active surface or free in solution. FA-AuNP binding to hDHFR provides signal amplification which is inversely proportional to the concentration of MTX. Surface plasmon resonance (SPR) is commonly used as a spectroscopic technique for the interrogation of biomolecular interactions. Current commercial SPR instruments are laboratory-based, bulky, expensive, lack sensitivity in complex matrix and have not shown adaptability in clinical settings. In addition, SPR analysis of small molecules such as drugs has not been extensively explored due to lack of sensitivity. The recent advances in materials science and surface chemistry exploiting gold nanoparticle integration for SPR response enhancement and peptide surface chemistry have shown potential in overcoming the poor sensitivity and surface-fouling limitations for crude biofluids analysis. These novel concepts of SPR technology are incorporated with a miniaturized fully integrated SPR prototype to conduct fast, reliable and sensitive analysis to monitor MTX levels of a patient undergoing chemotherapy. The objective of the thesis is to explore different strategies in improving drug analysis in a complex matrix using SPR biosensors and to put in perspective of the potential of SPR biosensors as a useful TDM tool in clinical laboratories or at a point-of-care situation. To achieve these objectives, a colorimetric solution-based MTX competitive assay is first established with FA-AuNP. Then, the solution-based MTX competitive assay is translated onto a SPR platform. For both developed assays, sensitivity, selectivity, detection limit, dynamic range optimization as well as analysis of methotrexate in complex matrix are inspected. Furthermore, the SPR prototype is validated by its equivalent performance to existing SPR systems and by its utility in executing MTX analysis in actual serum samples from patients undergoing chemotherapy. The concentrations of MTX obtained by SPR biosensing are compared to standard techniques: fluorescence polarization immunoassay (FPIA) and liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) in order to confirm the feasibility of SPR biosensors as a useful clinical tool for performing rapid MTX concentration evaluation. Finally, the successful deployment of the prototype to a hospital laboratory demonstrates enormous prospective of SPR biosensors in clinical use.

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique. / Methotrexate (MTX) cancer therapy requires therapeutic drug monitoring (TDM) for following its levels in a patient during the course of treatment in order to maximize efficacy while minimizing side effects. Despite its narrow therapeutic window, MTX remains until this date, one of the most employed chemotherapy agents. Existing TDM analytical techniques for MTX are costly, time-consuming and labor intensive which are not suitable to promptly generate results within the therapy timeframe. To provide rapid MTX quantification for TDM, a strategy is proposed based on a competitive assay featuring gold nanoparticles and surface plasmonic coupling. More specifically, the inhibition of MTX with its molecular receptor, human dihydrofolate reductase (hDHFR), an enzyme associated with proliferative diseases, is explored. Free MTX mixed with folic acid-functionalized gold nanoparticles (FA-AuNP) are in competition for hDHFR binding sites immobilized on a SPR active surface or free in solution. FA-AuNP binding to hDHFR provides signal amplification which is inversely proportional to the concentration of MTX. Surface plasmon resonance (SPR) is commonly used as a spectroscopic technique for the interrogation of biomolecular interactions. Current commercial SPR instruments are laboratory-based, bulky, expensive, lack sensitivity in complex matrix and have not shown adaptability in clinical settings. In addition, SPR analysis of small molecules such as drugs has not been extensively explored due to lack of sensitivity. The recent advances in materials science and surface chemistry exploiting gold nanoparticle integration for SPR response enhancement and peptide surface chemistry have shown potential in overcoming the poor sensitivity and surface-fouling limitations for crude biofluids analysis. These novel concepts of SPR technology are incorporated with a miniaturized fully integrated SPR prototype to conduct fast, reliable and sensitive analysis to monitor MTX levels of a patient undergoing chemotherapy. The objective of the thesis is to explore different strategies in improving drug analysis in a complex matrix using SPR biosensors and to put in perspective of the potential of SPR biosensors as a useful TDM tool in clinical laboratories or at a point-of-care situation. To achieve these objectives, a colorimetric solution-based MTX competitive assay is first established with FA-AuNP. Then, the solution-based MTX competitive assay is translated onto a SPR platform. For both developed assays, sensitivity, selectivity, detection limit, dynamic range optimization as well as analysis of methotrexate in complex matrix are inspected. Furthermore, the SPR prototype is validated by its equivalent performance to existing SPR systems and by its utility in executing MTX analysis in actual serum samples from patients undergoing chemotherapy. The concentrations of MTX obtained by SPR biosensing are compared to standard techniques: fluorescence polarization immunoassay (FPIA) and liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) in order to confirm the feasibility of SPR biosensors as a useful clinical tool for performing rapid MTX concentration evaluation. Finally, the successful deployment of the prototype to a hospital laboratory demonstrates enormous prospective of SPR biosensors in clinical use.