La thrombine est l'enzyme principale dans le processus d'hémostase. Les dérèglements de la concentration de thrombine clinique prédisposent les patients à des complications hémorragiques ou thromboemboliques. Le suivi en temps réel de la thrombine dans le sang est donc nécessaire pour améliorer le traitement de patients en état critique. Les aptamères, qui sont de courts nucléotides monobrins semblent constituer des candidats prometteurs pour la reconnaissance moléculaire dans les biocapteurs. L'objectif de ces travaux est l'étude de différentes solutions d'intégration des aptamères dans des dispositifs de diagnostic de type "point of care" pour le suivi en continu de la thrombine dans le plasma. La cinétique d'interaction des aptamères avec la thrombine et leur spécificité vis-à-vis de la prothrombine et des inhibiteurs de la thrombine ont été étudiés par résonance par plasmons de surface. Ces travaux ont démontré la faible spécificité de l'aptamère HD1 vis-à-vis de la thrombine, et la présence d'interactions non-spécifiques avec la prothrombine, les inhibiteurs naturels de la thrombine et l'albumine. Inversement, nous avons observé une bonne affinité de l'aptamère HD22 avec la même liste de cible. Parallèlement, nous avons évalué des stratégies d'intégration d'aptamères dans des dispositifs d'analyse. Le principe de reconnaissance a ensuite été validé et la possibilité de détecter la thrombine dans des gammes de concentration de 5 à 500nM a été démontrée. Enfin, afin d'augmenter la spécificité de la détection de la thrombine, nous avons proposé une nouvelle approche basée sur l'ingénierie de structures dimères interconnectant HD1 et HD22. / Thrombin is the central enzyme in the process of hemostasis. Normally, in vivo concentration of thrombin is rigorously regulated; however, clinically impaired or unregulated thrombin generation predisposes patients either to hemorrhagic or thromboembolic complications. Monitoring thrombin in real-time is therefore needed to enable rapid and accurate determination of drug administration strategy for patients under vital threat. Aptamers, short single-stranded oligonucleotide ligands represent promising candidates as biorecognition elements for new-generation biosensors. The aim of this PhD work therefore is to investigate different solutions for the integration of thrombin-binding aptamers in point-of-care devices for continuous monitoring of thrombin in plasma. The kinetics of aptamer interaction with thrombin and specificity towards prothrombin and thrombin - inhibitor complexes was rigorously investigated using Surface Plasmon Resonance. These experiments unveiled the complex character of interaction of the HD1 with thrombin, confirming nonspecific interactions with prothrombin, natural inhibitors of thrombin, serum albumin whereas another 29-bp aptamer HD22 proved to be highly affine and specific towards thrombin. On the other hand we explored aptamer integration options. We validated the principle and at the same managed to detect different concentrations of thrombin (5-500 nM). We finally proposed a novel approach to increase sensitivity and specificity for thrombin detection based on the engineering of aptadimer structures bearing aptamers HD1and HD22 interconnected with a nucleic acid spacer.

Au cours de ce projet de thèse, l'imagerie optique a été utilisé pour étudier la biodistribution de différents types de nanoparticules pour un ciblage passif de tumeur et plusieurs aptamères sélectionnées par SELEX in vivo pour un ciblage actif, dans des modèles murins de cancer. Pour la partie ciblage passif, l'effet de l’enrobage zwitterionique sur la biodistribution de micelles a été étudié. L'imagerie planaire a montré qu’il y avait un ciblage tumoral passif à partir de 24 h post-injection. Apres 24h, les micelles ne sont pas retenues, par opposition aux micelles PEGylés. Concernant la biodistribution des nanogels, l’imagerie planaire a montré un ciblage tumoral passif à 24 h. Un ciblage passif de la tumeur a été également observé pour l'un des polymères, tandis que l'autre n'a pas été retenu. Pour la partie ciblage actif, seulement quelques séquences ont montrés un potentiel un ciblage des tumeurs. Cependant, des investigations plus approfondies sur les séquences prometteuses sont nécessaires afin de valider leur captation par le tissue tumoral.En outre, une corrélation linéaire a été observée entre l’imagerie planaire in vivo et ex vivo, illustrant l'utilité de l'imagerie optique pour fournir des informations de base sur la biodistribution et d'élimination des nanoparticules et les aptamères.En conclusion, le travail effectué au cours de cette thèse devrait permettre d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le développement de nano-objets multimodales qui peuvent être utilisés pour des applications dans le diagnostic et même pour l'administration spécifique de médicaments à des sites de la maladie. / During this PhD project, optical imaging was used to study the biodistribution of different types of nanoparticles for passive tumor targeting and several candidate aptamers selected by in vivo SELEX for active tumor targeting, in animal models of cancer. For the part of passive tumor targeting, the effect of zwitterionic coating on the biodistribution of polydiacetylenic micelles was investigated. Planar fluorescence imaging demonstrated passive tumor targeting during 24 h but the micelles were not retained over time as opposed to PEGylated micelles. The biodistribution of two new types of nanogels and their constituent polymers was also evaluated. Planar imaging showed passive tumor targeting 24 h for the two nanogels. Surprisingly, tumor targeting was also observed for one of the polymers, while the other was not retained.For the part of active tumor targeting, only few sequences displayed potentials for active tumor targeting. However, further investigation of these promising sequences is needed in order to validate their favorable tumor uptake.Moreover, linear correlation was observed between in vivo and ex vivo planar imaging, demonstrating the utility of optical imaging to provide basic preclinical information regarding biodistribution of nanoparticles and aptamers.In conclusion, the work done during this thesis should help open new perspectives to the development of multimodal nano-objects that can be used for applications for tumor diagnosis and even drug delivery to sites of disease.

La maladie d’Alzheimer est une pathologie neurodégénérative qui amène à une perte progressive de la mémoire et cause des changements comportementaux. Selon plusieurs théories, le développement de cette maladie est associé à l’accumulation du peptide amyloïde beta et de la protéine tau dans des zones précises du cerveau humain. A l’heure actuelle, les approches thérapeutiques testées sont fondées sur l’hypothèse de la cascade amyloïde, mais les résultats n’ont pas été jugés suffisamment efficaces. Pour augmenter les chances de succès des traitements thérapeutiques existants, de meilleures techniques pour un dépistage précoce de l’Alzheimer semblent nécessaires. De ce fait, dans cette thèse, des stratégies innovantes pour l’analyse d’un des biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer sont proposées. En particulier le projet porte sur l’analyse de la protéine tau avec des biocapteurs basés sur la Résonance de Plasmons de Surface (SPR). L’augmentation du niveau de ce biomarqueur dans le Liquide Céphalo-Rachidien (LCR) est déjà indicateur d’un processus de neurodégénérescence. De plus, si la mesure de la protéine tau est combinée à celle d’autres biomarqueurs de la pathologie (i.e. : amyloïde beta), les possibilités de dépistage sont fortement augmentées. Les travaux ont portés sur deux aspects : initialement l’interaction antigène-anticorps a été exploitée pour développer un immunocapteur pour la protéine tau. En utilisant cette technologie, nous avons pu caractériser les paramètres analytiques de l’essai direct (avec un seul anticorps) et ceux de l’essai sandwich (avec deux anticorps complémentaires). Dès ces premières approches, nous avons remarqué le besoin d’augmenter la sensibilité de la méthode SPR développée. En effet la limite de détection pour l’essai sandwich était de l’ordre du nM, alors que les niveaux de tau dans le LCR sont de l’ordre du pM. L’utilisation de nanotechnologies, en particulier des nanotubes de carbone, a permis d’atteindre des niveaux proches du pM, avec de bonnes performances en terme de répétabilité de l’essai.Une approche alternative a été conçue dans la deuxième partie du projet. Elle était consacrée à la sélection d’un aptamère pour la protéine tau, afin d’exploiter les avantages de cette classe de récepteurs par rapport aux anticorps. Pour accomplir cet objectif, deux stratégies de sélection ont été mises en place. Premièrement la sélection traditionnelle (SELEX, Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) a été appliquée en utilisant l’Electrophorèse Capillaire (EC) comme moyen de séparation. Bien que de nombreuses conditions aient été modifiées, avec le SELEX traditionnel nous n’avons pas observé une évolution significative de l’affinité entre les séquences d’ADN et la protéine tau. Dans la deuxième approche nous avons utilisé la même méthode de séparation pour mener la sélection à travers l’EC-Non-SELEX. En utilisant cette méthode, où les étapes de PCR étaient réduites, une évolution positive a été observée après seulement trois rounds. En effet cinq séquences parmi celles issues du dernier round ont montré une affinité supérieure pour la cible par rapport à la banque. Néanmoins le nombre de séquences analysées à la fois par SPR et par anisotropie de fluorescence reste extrêmement limité par rapport au pool initial. Même si ceci semble être une limite, ce travail est le premier où les aptamères sont appliqués à l’analyse de la protéine tau. Le potentiel de cette classe de récepteurs reste en grande partie inexploré, ce qui laisse entrevoir des améliorations possibles de l’affinité grâce à de meilleurs processus de sélection et au développement de nouveaux outils bioinformatiques.En conclusion la SPR grâce à ses caractéristiques jouera un rôle fondamental dans les prochaines années pour l’analyse des biomarqueurs et pour le screening de nouvelles molécules, qui seront l’objet de futurs essais cliniques pour limiter l’agrégation de la protéine tau. / Alzheimer’s disease (AD) is a widespread pathogenic condition causing memory and behavior impairment mostly in elderlies because of the accumulation of amyloid beta peptide and tau protein in human brain. Current therapeutic approaches, based on the amyloid hypothesis, are unable to arrest the progression of the disease, hence early diagnosis is crucial for an effective intervention. Based on the updated criteria for AD probable diagnosis, and considering the limits associated with the actual analytical techniques, my work in this thesis was dedicated to develop novel strategies for AD diagnosis. The whole project focused on the analysis of tau protein by Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensing. Such protein is well known for being relevant as neurodegenerative marker. In particular if the measurement of tau is associated with that of the amyloid beta peptide and that of the phosphorylated tau, the clinical specificity of this protein become significant to detect Alzheimer. Two aspects were studied; first of all an immunosensor was developed taking advantage of the well-established antigen-antibody interaction. After characterization of the analytical parameters of the direct assay (with primary antibody), a sandwich assay (using two monoclonal antibodies mapping on different analyte i.e. protein tau epitopes) was developed, allowing very low sensitivity to be obtained in artificial Cerebrospinal Fluid (aCSF). In particular to enhance the analytical signal Carbon Nano Tubes (CNTs) were used. Secondly, the research was focused on the selection of aptamers for tau. To this aim two SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) methods were compared, both based on Capillary Electrophoresis (CE) for partitioning step of the process. Whether with CE-SELEX (first method), no significant affinity improvement was measured, using the CE-Non-SELEX (second method) affinity of the DNA library for tau protein was consistently improved. After isolation of a limited population of aptamer candidates, five sequences were chosen to be analyzed for their affinity for the target. Fluorescence Anisotropy (FA) measurements and SPR highlight similar behavior for the selected sequences, despite the detection principles of these techniques are significantly different. In conclusion the work highlight versatility of SPR technology used both for quantitative analysis and for new selected aptamers characterization in terms of affinity for the analyte tau. The above mentioned versatility is of great interest in a field such AD, which is rapidly expanding. Lowering the total tau levels has been recently identified as a new goal for therapy. Therefore many drug candidates are likely going to be tested in the near future. SPR technology is already widely used in pharmaceutical industry to investigate novel molecules, since it gives access to a large panel of information. In this panorama aptamer technology may improve the overall quality of the analytical data, allowing better comparison among drug candidates. With respect of these receptors, the thesis opened the door to new studies for DNA aptamers to recognize tau, with considerable advantages in term of the receptor stability. Moreover the whole potential of DNA aptamers selected in this work still remain to be explored. New selection methodologies, combined with fast progression of bioinformatics tools might give rise to affinity improvement, which will lead to sensitivity improvement for tau detection in the next few years.

Les aptamères sont des oligomères d'ADN ou d'ARN simple brin qui, en se repliant sous forme de structures tridimensionnelles peuvent avoir des interactions fortes et spécifiques envers un certain nombre de cibles. L'objectif de cette thèse a été de compléter les études existantes sur l'utilisation de l'électrophorèse capillaire (CE) et les aptamères afin de mettre au point une méthode de sélection d'aptamères par CE couplée à la fluorescence induite par laser et le séquençage haut-débit Illumina. Dans un premier temps, nous avons mis au point une méthode de détection et de séparation par électrophorèse capillaire couplée à la double détection UV-LEDIF d'une banque d'ADN en interaction avec une cible : la thrombine. C'est un modèle déjà étudié pour lequel deux aptamères ont fait l'objet de publications. Nous avons utilisé l'aptamère T29 dans le cadre de notre étude car c'est celui qui présente la meilleure affinité. L'électrophorèse capillaire est un puissant outil analytique qui facilite l'efficacité de sélection des aptamères et précise la détermination des paramètres d'interactions. Nous avons ainsi pu déterminer la constante d'affinité KD par CE-UV-LEDIF sur le modèle de base : la thrombine. Par ailleurs, nous montrons également comment l'utilisation du tampon Tris peut dégrader un ADN simple brin en électrophorèse capillaire et nous proposons comme alternative l'utilisation d'un tampon sodium phosphate dibasique qui évite ce phénomène de dégradation. Enfin, nous expliquons la difficulté d'amplification par qPCR et PCR d'un aptamère comme le T29 ayant une structure en G-quadruplex. Nous avons montré que le séquençage haut-débit Illumina nous a permis de trouver une corrélation entre le nombre de molécules séquencées et le nombre de séquences obtenues. L'analyse des séquences obtenues montre une quantité importante (20%) de séquences de T29 qui ne correspondent pas à la séquence de cet aptamère. Cela prouve que les étapes de PCR et de séquençage haut débit pour la détection de G-quadruplex peuvent induire un biais dans l'identification de ces molécules. / Aptamers are oligomers of small single-stranded DNA or RNA which can have strong and specific interactions with some targets when they fold into three-dimensional structures. The objective of this thesis was to complete existing studies on the use of capillary electrophoresis in order to develop a method for the selection of aptamers by CE coupled to laser induced fluorescence and Illumina high-throughput sequencing. In a first step, we developed a method of detection and separation by capillary electrophoresis coupled with the double detection UV-LEDIF of a DNA library interacting with a target: thrombin. It is a model already studied and for which two aptamers have been published. We used aptamer T29 as part of our study because it has the best affinity. Capillary Electrophoresis is a powerful analytical tool that facilitates the selection efficiency of aptamers and specifies the determination of the interaction parameters. We thus were able to determine the affinity constant KD by CE-UV-LEDIF on the basic model: thrombin. Moreover, we also show how the use of Tris buffer can degrade single-stranded DNA during capillary electrophoresis and we propose as an alternative the use of a dibasic sodium phosphate buffer which avoids the phenomenon of degradation. Finally, we explain the difficulty of amplification by qPCR and PCR of an aptamer such as T29 with a G-quadruplex structure. We showed that the Illumina high-throughput sequencing allowed us to find a correlation between the number of sequenced molecules and the number of sequences obtained. Analysis of the sequences obtained shows a significant amount (20%) of T29 sequences which do not correspond to the sequence of this aptamer. This shows that the PCR and high-throughput sequencing steps for the detection of G-quadruplex can induce bias in the identification of these molecules.

L'analyse de composés à l'état de traces dans des échantillons complexes tels que les fluides biologiques, les matrices environnementales ou les denrées alimentaires nécessite une étape de purification avant analyse afin de limiter la présence d'effets de matrice. Les supports conventionnels d'extraction sur phase solide, bien qu'étant très efficaces pour préconcentrer l'échantillon, conduisent souvent à la co-extraction de composés interférents. Afin de pallier ce manque de sélectivité, des supports sélectifs fondés sur des mécanismes de reconnaissance moléculaire ont été développés. Les immunoadsorbants, reposants sur l'utilisation d'anticorps dirigés contre l'analyte et immobilisés sur un support solide, et les polymères à empreintes moléculaires qui possèdent des cavités spécifiques complémentaires d'une molécule empreinte, ont déjà démontré un fort potentiel pour l'extraction sélective de composés de matrices complexes. Un troisième type de support d'extraction sélective également fondé sur un mécanisme de reconnaissance moléculaire exploitant les propriétés des aptamères a été développé lors de cette étude. Les aptamères sont des oligonucléotides capables de fixer de manière spécifique une molécule avec une affinité comparable à celle des anticorps. Un aptamère sélectionné pour reconnaître la cocaïne a été choisi comme aptamère modèle pour cette étude de faisabilité. Différents supports d'immobilisation ont été évalués et les oligoadsorbants obtenus ont été caractérisés en termes de rétention spécifique et non spécifique, de taux de greffage, et de capacité. La sélectivité du support le plus performant en milieu pur a ensuite été évaluée en réalisant l'extraction de la cocaïne de plasma et de sang. L'analyse chromatographique des extraits obtenus a conduit à des chromatogrammes dépourvus de co-élutions, contrairement à ceux issus des traitements généralement employés, démontrant ainsi l'apport en purification de l'oligoextraction. Ce développement a ensuite été transposé avec succès à un autre aptamère, l'aptamère anti-ochratoxine A. L'oligoadsorbant obtenu s'est montré très rétentif, du fait de sa forte affinité, et a permis l'extraction sélective de l'ochratoxine A du vin. Les résultats obtenus sont très similaires à ceux obtenus avec un immunoadsorbant. De plus, les procédures d'extraction s'avèrent beaucoup plus simples à développer que pour les polymères à empreintes moléculaires.

La variole est l'un des pires fléaux qu'ait connu l'humanité jusqu'à son éradication en 1980. Il existe aujourd'hui une menace terroriste de réémergence du virus de la variole comme arme biologique. Le manque de moyens thérapeutiques, la faible immunité de la population mondiale depuis l'arrêt de la vaccination antivariolique et les complications post-vaccinales liées à l'utilisation du vaccin réplicatif historique ont conduit ces dernières années à une intensification des recherches pour lutter contre la variole et les autres virus du genre orthopoxvirus. En complément d'assurer la production d'un nouveau vaccin antivariolique répondant aux normes sanitaires actuelles, il est indispensable de développer des molécules antivirales efficaces aux modes d'actions différents, utilisables immédiatement en cas d'attaque terroriste et pour pallier les complications post-vaccinales. L'objectif du travail de thèse est d'explorer de nouvelles stratégies thérapeutiques en ciblant plus particulièrement la réplication du virus de la vaccine, utilisé comme modèle substitutif au virus de la variole. La première stratégie est l'utilisation d'aptamères peptidiques ciblant A20, une protéine centrale du complexe de réplication formant avec l'uracile ADN glycosylase D4 le facteur de processivité pour l'ADN polymérase virale. Ces peptides sont sélectionnés in vivo en double-hybride en levure pour interagir avec une cible protéique et potentiellement l'inhiber. Ainsi nous avons sélectionné un aptamère interagissant avec une région critique de la protéine cible A20 et capable d'inhiber significativement la réplication du virus de la vaccine en culture cellulaire. La seconde stratégie est l'utilisation d'un criblage haut débit de molécules chimiques pour leur capacité à rompre les interactions entre notre cible de choix A20 et deux de ses interacteurs connus, la protéine D4 et la primase/hélicase D5, par une approche basée sur l'utilisation de deux rapporteurs luciférase en levure. Nous avons démontré que deux molécules issues du criblage permettaient l'inhibition significative et spécifique de la réplication de plusieurs orthopoxvirus, in vitro. Ces travaux viennent compléter le faible arsenal thérapeutique disponible destiné à lutter contre les infections à orthopoxvirus.

Développés pour améliorer la santé et le bien-être, certains composés pharmaceutiques sont désormais sous haute surveillance car considérés comme des contaminants émergents des eaux. Pour répondre à ce nouvel enjeu, nous visons à développer un microsystème d'analyse permettant l'identification et la quantification de ces contaminants dans des échantillons d'eau. L'aspect original de ce microsystème repose sur l'intégration au sein du canal d'une zone de préconcentration dans laquelle sont immobilisés des ligands (aptamères dans notre étude), permettant l'extraction sélective de la cible et sa concentration. Pour développer ce microsystème, deux types de fonctionnalisation de surface doivent être mis en œuvre : (1) globale, sur toute la surface des canaux, pour contrôler leurs propriétés de surface et ainsi éviter l'adsorption et contrôler les écoulements de liquides, et (2) locale, pour greffer les ligands sélectifs dans une zone confinée du canal. Les polymères COC et THV, prometteurs pour la conception de puces microfluidiques grâce à leur transparence dans le domaine UV-visible et leur excellente résistance aux solvants, ont été sélectionnés pour la microfabrication du système. Cependant, leur inertie chimique rend difficile la fonctionnalisation de leur surface, et de nouvelles méthodes de traitement de surface ont été développées. Nous présentons ainsi plusieurs méthodes innovantes pour la fonctionnalisation de ces matériaux, basées sur un dépôt plasma, une modification électrochimique et/ou une réaction chimique. La possibilité d'encapsuler les ligands dans une phase monolithique à l'intérieur d'un microcanal grâce à un procédé sol-gel a également été évaluée. / Developed to promote human health and well-being, certain pharmaceuticals are now attracting attention as crucial emerging water contaminants. To deal with this concern, we aim at developing an analytical microsystem for the identification and quantitation of these contaminants in water samples. The original aspect of this lab-on-a-chip relies on the integration inside the channel of a preconcentration zone in which ligands (aptamer in our study) are immobilized, in order to concentrate the target and extract it from the rest sample matrix. Development of this microsystem requires surface treatments to modify the microchannel surface at two scales: (1) globally (on the entire channel walls) to control surface properties and thus avoid adsorption as well as control fluid flows, or (2) locally to immobilize selective ligands in restricted areas for selective target extraction and preconcentration. Polymers COC and THV, attractive for the conception of microfluidic chips thanks to their UV-visible transparency and high resistance to aggressive solvents, were selected as the microchip material. However due their chemical inertness new functionalization techniques have to be developed to modify their surface. In this work, innovative surface treatment strategies have been developed for both materials, based on plasma, electrochemical and chemical approaches. The possibility of encapsulating aptamers in a monolithic phase inside microchannel by sol-gel process was also explored.

Ces dernières décennies, la dégradation continue de la qualité des eaux a engendré une augmentation des blooms algaux toxiques en zones côtières. Les biotoxines libérées de façon ubiquitaire lors de ces blooms, représentent un danger épidémique important pour l’homme et l’animal. Afin de limiter les risques de contamination et les pertes économiques, les organismes compétents ont mis en place des programmes de surveillance et ont établi des seuils de toxicité (OMS: 1 µg de MC-LR/L ; EFSA : 160 µg éq OA /kg de chair de coquillage). Cependant, les méthodes d’analyse préconisées sont longues et coûteuses, il est donc nécessaire de développer des nouvelles techniques d’analyse. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de concevoir des outils analytiques rapides, fiables et adaptables sur le terrain afin de détecter la présence des toxines les plus nocives: les microcystines (MCs) et l’acide okadaïque (OA). En premier lieu, des bioessais colorimétriques basés sur l’inhibition des protéines phosphatases par ces toxines ont été développés. Les limites de détection obtenues ont été très inférieures aux limites maximales autorisées. Par conséquence, les tests mis au point sur microplaques ont été adaptés pour élaborer des biocapteurs électrochimiques. Les seuils de sensibilités obtenus sont conformes aux normes imposées et les tests pourront être ainsi utilisés in situ. Du fait de leurs nombreux avantages, les aptamères sont devenus depuis peu des éléments de reconnaissance alternatifs aux anticorps et aux enzymes. Afin d’améliorer la sensibilité et la stabilité des outils proposés, un aptacapteur sans marquage et réutilisable pour la détection de l’OA a été finalement conçu. / The past decades have witnessed water quality degradation due to overwhelming anthropic activities. In this context, production of biotoxins in response to increasing harmful algal blooms is a point of vital concern for human and animal health. In order to overcome bio-contamination and related economic losses, relevant authorities have established toxicity levels and monitoring program for ubiquitous toxins. However, current analysis are expensive and time consuming, so it is necessary to develop fast, reliable and field adaptable methods to assure food and water safety. Based on above described consequences, the objective of the research was to design inexpensive biotools for the detection of most toxic and widespread toxins including: microcystins (MCs) and okadaïc acid (OA).The first approach was to perform colorimetric enzymatic bioassays based on the inhibition of commercial and genetically modified proteins phosphatase by toxins. The obtained detection limit (LOD) were many folds lower than maximum limit defined by WHO (1 µg of MC-LR/L) and EFSA (160 µg eq OA/kg in shellfish meat). Subsequently, developed colorimetric methodology was adapted to design electrochemical biosensors for toxins detection. Electrochemical transduction was performed by Differential Pulse Voltammetry, showed a good LOD with the possibility of being used as a field portable device.With many advantages over antibody and enzyme, aptamers have recently emerged as powerful class of nucleic acids able to recognize specific targets. To further improve the analytical figure of merit, aptamers were used to design reusable label-free biosensors for OA detection.

Dans ce travail, nous avons pu sélectionner par la méthode SELEX un aptamère à ARN modifié, appelé Apt1, qui se lie avec une haute affinité au récepteur CD44. L'aptamère sélectionné a été modifié avec par des 2'-F-pyrimidines afin d’augmenter sa stabilité vis-à-vis des nucléases pour une application thérapeutique. Cet aptamère a été ensuite greffé sur des liposomes contenant des séquences de siRNA dirigées contre un gène rapporteur, dans le but d’un ciblage actif des cellules tumorales exprimant le récepteur CD44. Cette fonctionnalisation a été réalisée par la conjugaison d’un dérivé 3'-thiol de Apt1 et un dérivé maléimide de phospholipides, directement à la surface des liposomes, ou bien séparément puis par post-insertion sur les liposomes. Les liposomes ainsi formulés présentent une forte affinité pour les cellules exprimant le CD44 sans déclencher de réponse inflammatoire au sein de ces cellules. En outre, nous montrons que l'inhibition du gène rapporteur est augmentée et prolongée lorsque l’aptamère est couplé aux liposomes chargés aux siRNA, in vitro ainsi qu’in vivo sur un modèle murin orthotopique de cancer du sein. De tels vecteurs de siRNA constituent donc un outil prometteur pour le ciblage actif de tumeurs exprimant le récepteur CD44. L'étape suivante consistera charger ces vecteurs par des séquences de siRNA permettant de réprimer des oncogènes. / In this work we succeeded to select a modified RNA aptamer, named Apt1, to bind the human CD44 receptor protein with high affinity using the Systemaic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX) method. The selected aptamer was modified with 2'-F-pyrimidines to increase its stability against nucleases for therapeutic applications. Furthermore, we designed and characterized aptamer-functionalized liposomes loaded with siRNA molecules against a reporter gene as a model drug delivery system for the active targeting CD44-expressing tumor cells in vitro and in vivo. Such functionalization was performed by conjugation of 3'-thiol-modified Apt1 to maleimide-modified phospholipids, either on the surface of liposomes, or separately, followed by post-insertion onto liposomes. The targeted liposomes displayed high affinity for CD44-positive cells without triggering any inflammatory response within these cells. Moreover, we show that a higher and prolonged inhibition of the targeted gene can be achieved when siRNA-loaded liposomes are functionalized by the aptamer, both in vitro and in vivo on a murine orthotopic breast cancer model. Such a delivery system may thus be a useful tool for the active targeting of CD44-expressing tumors and silencing oncogenes in vivo.

La détection de petites molécules contribue au développement de nombreux domaines tels que la sécurité alimentaire, la sécurité intérieure, le diagnostic, le contrôle de l'environnement, etc. Cependant, la petite taille de ces cibles et leur faible concentration rendent difficile leur détection. Pour pallier à cela, des biocapteurs avec des sondes appropriées et des stratégies d'amplification du signal sont nécessaires. Parmi les éléments de reconnaissance couramment utilisés, les aptamères présentent l'avantage d'une synthèse aisée et de grandes possibilités de modification, ainsi qu'une dénaturation réversible à haute température et une tolérance élevée à la concentration en sel et au pH dans le milieu de travail. Plus important encore, la petite taille des aptamères en fait un choix idéal pour créer des structures adaptées pour la détection de petites cibles. La possibilité de couper la séquence de l'aptamère a fourni d'autres approches d’amplification de signal. Il existe deux catégories de méthodes de détection basées sur des aptamères : analyse hétérogène lorsque l'aptamère est immobilisé sur la surface ou analyse homogène lorsque le test est réalisé en solution. Nous proposons dans cette thèse une approche appliquable aux deux stratégies. L'adénosine a été utilisée comme une cible modèle pour cette preuve de concept. La détection de l'adénosine a été obtenue en combinant l'auto-assemblage de dimères d'oligonucléotides avec des extrémités pendantes correspondantes à l'aptamère coupé. Nous avons construit des structures auto-assemblées d'ADN (de 1D à 3D) avec l'adénosine comme déclencheur d'un changement structurel. La première méthode décrite dans ce travail consiste à utiliser de telles structures d'ADN combinées à l'imagerie par Résonance de Plasmons de Surface (SPRi). La SPRi est une méthode sensible à la variation d'indice optique produite par l'interaction entre les sondes immobilisées sur le prisme de l'or et la cible dans la solution. En présence d'adénosine, la structure d'ADN s'auto-assemble sur la surface de l'or et un signal a été créé. La limite de détection de l'adénosine atteinte par cette méthode est de 10 μM. La deuxième homogène méthode consiste à analyser les variations d'absorbance UV de la solution contenant les structures d'ADN puisque l'absorbance UV de l'ADN monocaténaire et du duplex ADN hybride est différente. En raison de cet effet, la température de fusion des brins d'ADN peut être déterminée par la dérivée de l'absorbance UV mesurée. Les structures d'ADN combinant les extrémités pendantes de l'aptamère coupé couplés à des oligonucléotides complémentaires présentent deux températures de fusion caractéristique de la dissociation de chaque partie. L'une correspond à l'oligonucléotide hybridé et l'autre à l'aptamère coupé liant l'adénosine. En présence d'adénosine dans la solution, la stabilité de la structure augmente et le pic de fusion de l'aptamère coupé est décalé à une température plus élevée tandis que le second pic de fusion reste identique et peut servir de référence interne. La limite de détection atteinte pour cette méthode est de 1 μM. Les structures d'ADN que nous avons proposées s'auto-assemblent de manière linéaire ou bi- ou tri-dimensionnelle : la structure 1D est une chaîne d'ADN formée par un enchainement de dimères connectés par des extrémités formées de l'aptamère scindé; La structure en 2D est une structure en forme de Y formée par un ADN simple brin avec une extrémité aptamère scindé sur chaque branche du "Y"; La structure 3D est un tétraèdre formé par quatre simple brins d'ADN avec des extrémités aptamère scindé sur les quatre sommets. En présence d'adénosine, les structures 2D et 3D peuvent s'auto-assembler et ainsi former un réseau avec les extrémités pendantes. La structure 1D a été mûrement développée pour les deux méthodes, les structures 2D et 3D ont été prouvées efficaces pour la détection, mais nécessitent encore plus d'efforts pour permettre une détection optimisée. / The detection of small molecules contributes to the development of many fields such as food safety, homeland security, diagnose, environment control, etc. However, their small size and low concentration are the usual cause of limitations in their detection. In order to improve the detection, biosensors with appropriate probes and signal amplification strategies are required. Amongst the commonly used recognition elements, aptamer has the advantage of easier mass production and modification, reversible denaturation at high temperature and high tolerance of salt concentration and pH in the working environment. More importantly its small size made it an ideal choice for creating delicate structures for the detection of small targets. The possibility of splitting the aptamer sequence has provided more approaches for amplification purpose. There are two categories of detecting methods based on aptamers: heterogeneous analyzation where the aptamer is immobilized on a surface or homogeneous analyzation where the assay is performed in solution. In this thesis, we proposed an amplification method useful for both heterogeneous and homogeneous assays. Adenosine was used as a proof of concept target. The detection of Adenosine was achieved by combining the self-assembly of oligonucleotide dimers with split-aptamer dangling ends. We constructed self-assembled DNA structures (from 1D to 3D) with Adenosine as the trigger for a structural change. The heterogeneous assay is based on in Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi). SPRi is a method sensitive to the change of refraction index created by the interaction between the probes immobilized on the gold surface and the targets in the flowing solution. With the presence of Adenosine in the solution, the DNA structure is self-assembled on the gold surface and the signal was created. The detection limit achieved by this method was 10 µM. The second homogeneous assay is based on the melting profile of the solution determined from the absorbance of UV light (260 nm wavelength). The UV absorbance of single strand DNA and hybridized DNA duplex is different. Due to this effect, the melting temperature could be obtained from the UV absorbance measured. The DNA structures combining self-complementary oligonucleotides and split-aptamer dangling ends have two melting temperatures, one correspond to the oligonucleotides and the other to the split-aptamer. In presence of Adenosine in the solution the strength in the binding is increased. As a result, the melting peak of the split-aptamer shifted to higher temperature while the second melting peak correspond the oligonucleotide remains the same as an internal reference. The detection limit achieved for this method was 1 µM. The DNA structures we proposed varied from 1D to 3D: the 1D structure was a DNA chain formed by a series of dimers connected through split-aptamer dangling ends; the 2D structure was a Y shape structure formed by three single-strand DNA with a split-aptamer dangling end on each branch of the “Y”; the 3D structure was a tetrahedron formed by four single-strand DNA with split-aptamer dangling ends on the four vertexes. With presence of Adenosine, 2D and 3D structures can further form a network with the dangling ends. The 1D structure has been maturely developed for the two detection methods, the 2D and 3D structures have been proven effective for detection but still require more efforts to reach perfection.