Les pathologies infectieuses, maladies causées par certains micro-organismes pathogènes parmi les bactéries, les virus, les champignons et les protozoaires, sont à l’origine des taux de mortalité et de morbidité élevés enregistrés surtout dans les pays en voie de développement où la majorité de la population n’a pas les moyens d'accéder aux soins de santé. Les résistances des micro-organismes aux antimicrobiens, observées actuellement dans la pratique médicale moderne, constituent un autre grand problème lié au traitement de ces maladies. Elles constituent l’une des menaces de santé les plus sérieuses et peuvent frapper n’importe qui dans le monde. Face à ces fléaux, il est urgent de découvrir de nouveaux agents antimicrobiens qui pourraient, éventuellement, présenter de nouveaux mécanismes d'action. Une bonne part des plantes utilisées en médecines traditionnelles contiennent des composants antimicrobiens utiles contre les infections et qui peuvent aider dans la lutte contre les maladies infectieuses liées à l’antibiorésistance. C’est dans cette optique que nous avons mené une enquête ethnobotanique sur les plantes médicinales utilisées contre les infections microbiennes en médecine traditionnelle Burundaise. Nous en avons inventorié 155 et sélectionné 5 d'entre elles (Justicia subsessilis Oliv. (Acanthaceae); Platostoma rotundifolium (Briq.) A. J. Paton (Lamiaceae), Virectaria major (Schum.) Verdc. (Rubiaceae), Pavetta ternifolia (Oliv.) Hiern (Rubiaceae), et Stomatanthes africanus (Oliv. & Hiern) R. M. King & H. Rob. (Asteraceae)) pour en étudier la composition phytochimique et les propriétés biologiques. Les extraits de ces plantes ont été évalués notamment pour leurs effets antibactériens direct (bactéricide ou bactériostatique) et indirect (modulation des mécanismes de résistance qui augmente ou restaure l’activité des antibiotiques sur des souches résistantes). Les cinq plantes retenues ont montré une activité antibactérienne, justifiant ainsi leur usage contre les infections microbiennes en médecine traditionnelle Burundaise et, plus particulièrement, l’espèce Platostoma rotundifolium, dont les extraits ont montré des effets antibactériens directs et indirects sur des souches sensibles et résistantes. Les extraits de Platostoma rotundifolium ont également présenté des effets sur l’expression de gènes (lasB et rhlA) impliqués dans le quorum sensing, et sur la formation du biofilm de Pseudomonas aeruginosa PAO1. En vue d’isoler et identifier les molécules responsables de ces différentes activités, l’extrait acétate d’éthyle (le plus actif) de Platostoma rotundifolium a été soumis à un fractionnement bioguidé. Celui-ci a permis d’isoler neuf composés qui ont été identifiés comme étant les acides ursolique, corosolique, tormentique, hyptadiénique, et 2α, 3α, 19β-trihydroxyurs-12-èn-28-oïque (isolé pour la première fois lors de ce travail et auquel nous avons donné le nom d’acide jérémique), le squalène, le cassipourol, le β-sitostérol et l’α-amyrine. Toutes ces molécules sont isolées pour la première fois de Platostoma rotundifolium. Les trois premiers composés ont présenté un effet bactéricide sur les souches bactériennes sensibles et résistantes, tandis que les trois derniers ont montré une action inhibitrice significative de l’expression de gènes (lasB et rhlA) impliqués dans le quorum sensing et de la formation de biofilm de Pseudomonas aeruginosa PAO1. Toutes ces molécules actives peuvent constituer une voie dans la lutte contre les maladies infectieuses et l’antibiorésistance; nous pouvons conclure que les données issues d’une enquête ethnobotanique sur les savoirs et les savoir-faire des guérisseurs traditionnels sont très importantes, surtout lorsqu’elles sont exploitées jusqu’à la détermination des principes actifs responsables d'une activité pharmacologique donnée. / Infectious pathologies are diseases caused by the transmission of some pathogenic microorganisms among bacteria, viruses, fungi and protozoa. They drive the high mortality and morbidity rates recorded especially in developing countries, where the majority of the population cannot afford to access health care. The antimicrobial resistances currently observed in modern medical practice represent another major problem in the treatment of these diseases. These resistances are one of the most serious population health threats and can strike anyone in the world. It has thus become urgent to discover new antimicrobial agents that could possibly have novel mechanisms of action.Many plants used in traditional medicines against infections harbor useful antimicrobial components that can help in the fight against infectious diseases and antibiotic resistances. In this context, we conducted an ethnobotanical survey of medicinal plants used in Burundian traditional medicine to treat microbial infections. We inventoried 155 herbs from which 5 (Justicia subsessilis Oliv. (Acanthaceae); Platostoma rotundifolium (Briq.) A. J. Paton (Lamiaceae), Virectaria major (Schum.) Verdc. (Rubiaceae), Pavetta ternifolia (Oliv.) Hiern (Rubiaceae), and Stomatanthes africanus (Oliv. & Hiern) R. M. King & H. Rob. (Asteraceae) were selected for phytochemical screening and biological assays. The extracts of these plants were evaluated for their antibacterial effects, direct (bacteriostatic or bactericidal) and indirect (inhibition of resistance mechanisms by increasing or restoring the activity of antibiotics against resistant strains). All the selected plants species have shown antibacterial activity, justifying their use against microbial infections in Burundian traditional medicine, and more particularly Platostoma rotundifolium, whose extracts showed direct and indirect antibacterial effects on susceptible and resistant (MRSA) strains. The extracts from Platostoma rotundifolium also presented inhibitory effects on the expression of genes involved in quorum sensing, lasB and rhlA, as well as on biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PAO1.In order to isolate and identify the molecules responsible for these activities, the ethyl acetate extract (most active) from Platostoma rotundifolium was submitted to bioguided fractionation. This led to the isolation of nine compounds that were identified as ursolic acid, corosolic acid, tormentic acid, hyptadienic acid and 2α, 3α, 19β-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (isolated for the first time during this work and that was named jeremic acid), squalene, cassipourol, β-sitosterol and α-amyrin. All these molecules were isolated for the first time from Platostoma rotundifolium. The first three compounds showed a bactericidal effect on sensitive and resistant strains of bacteria, while the last three showed significant inhibitory effects on the expression of two QS genes (lasB and rhlA), and on biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PAO1. All these active molecules can be a lead in the fight against antibiotic resistance; and we can conclude that the data from an ethnobotanical survey of the knowledge and skills of traditional healers are very important, especially when they are exploited until the determination of the active ingredients responsible for a specific pharmacological activity. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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<P align="justify">Le but du travail de doctorat est la mise au point et l’étude fondamentale de voies de synthèse de diamines sous forme de leurs énantiomères optiquement purs. Ces derniers doivent être testés comme complexes dichloroplatiniques afin de quantifier leur pouvoir antitumoral. Les qualités souhaitées de ces synthèses sont leur application à des molécules de structure variées, les meilleures énantiosélectivité et diastéréosélectivité et les méthodes les plus simples possibles.</P><p><P align="justify">Les énantiomères des 1,2-diamino-1-(4-fluorophényl)propanes ainsi que les 1,2-diamino-1-(4-fluorophényl)-3-méthylbutanes ont été obtenus avec des rendements approximatifs globaux de 10 %. Les premières diamines ont été synthétisées par la méthode de Tytgat permettant l’obtention des deux séries d’énantiomères (érythro et thréo) au départ d’un énantiomère aminoalcool intermédiaire érythro. Les diamines érythro sont obtenues par une synthèse de Gabriel stéréospécifique tandis que la série thréo l’est par formation et ouverture par NH3 d’une aziridine, de manière stéréo- et régiosélective. Les butanediamines ont été synthétisées à partir des acides aminés optiquement purs (D- et L-alanine). Les thréos sont obtenues par une réaction de Grignard sur la nitrone dérivée de l’acide aminé N-boc. Les isomères érythro ont été fournis par la formation et l’ouverture régiosélective d’un N,Ndibenzylaziridinium, formé à partir de N,N-dibenzyl-2-amino-1-(4-fluorophényl)-3-méthylbutan-1-ol.</P><p><P align="justify">La synthèse des 1,2-diamino-1-(4-fluorophényl)butanes a été entreprise de la même manière mais les aminoalcool intermédiaires n’ont pu être isolés, suite à une réaction secondaire lors de la débenzylation des N,N-dibenzyl-2-amino-1-(4-fluorophényl)butan-1-ol, et ayant conduit à la 2,5-diéthyl-3,6-di(4-luorophényl)pyrazine-[1,2].</P><p><P align="justify">L’obtention des 1,2-diamino-1-(2-méthoxyphényl)propanes n’a pu être menée à bien suite aux effets négatifs de l’encombrement stérique et de l’effet mésomère du OMe sur le C-. Ni la voie de Tytgat, ni la synthèse via les diols produits par dihydroxylation asymétrique de Sharpless n’ont abouti.</P><p><P align="justify">La pureté énantiomérique a été vérifiée par dérivation chimique au (1R)-(-)-myrténal et enregistrement du spectre RMN 1H des imines obtenues. La réaction est réalisée in situ dans le tube RMN, avec le CDCl3 comme solvant. Cette technique a également permis la confirmation de la configuration absolue par comparaison avec les valeurs déjà obtenues avec les composés non-substitués. La méthode a été vérifiée quant à son étendue et ses limites sur toute une série de composés comprenant des acides-aminés, des amines primaires aliphatiques et des b-aminoalcools. On a pu ainsi prouver que les a-et b-phénylalkylamines sont les seules molécules sur lesquelles la technique est efficace.</P><p><P align="justify"> Les tests pharmacologiques préliminaires ont été effectués au moyen des complexes dichloroplatiniques de nos produits, sur les cellules cancéreuses mammaires MCF-7. L’introduction du fluor a augmenté l’activité des produits de façon importante, par rapport aux complexes non substitués. L’activité est fortement diastéréosélectives et modérément énantiosélective. Les isomères thréo sont toujours plus actifs que les érythro.</P><p><P align="justify">L’examen des résultats a permis de faire l’hypothèse qu’il existe, si pas un transport énantiosélectif, du moins un mécanisme de résistance qui favorise un énantiomère par rapport à l’autre. L’isomère thréo-1S2S est le seul à être cytotoxique à une dose de 1µM.</P> / Doctorat en sciences pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les prodrogues sont des dérivés biologiquement inactifs d’un principe actif qui, après administration à un organisme, subissent une transformation chimique ou enzymatique pour libérer le principe actif au site d’action. Elles améliorent les propriétés physicochimiques du principe actif pour permettre un meilleur transport à travers les barrières biologiques et pour augmenter l’activité in vivo. Elles sont utilisées pour améliorer la formulation et l’administration, accroître la perméabilité et l’absorption, modifier le profil de distribution et éviter le métabolisme et la toxicité. Cette approche est très utile pour améliorer l'administration de principes actifs. Il existe deux types de prodrogues : les prodrogues liées à un transporteur et les bioprécurseurs. Dans le premier cas, la molécule active est liée par une liaison covalente à un groupement temporaire, ce qui fournit une nouvelle molécule, qui est inactive. Le groupement temporaire libéré ne doit pas avoir, par lui-même, d'action pharmacologique ni de toxicité. Dans le second cas, le principe actif est transformé métaboliquement ou chimiquement par réaction d’hydratation, d’oxydation ou de réduction. Les azapeptides sont des mimes peptidiques dans lesquels un ou plusieurs carbones de la chaîne peptidique sont remplacés par des atomes d’azote. Ce remplacement augmente la rigidité de la chaîne peptidique et favorise le repliement de type β. Le repliement β des azapeptides est associé à plusieurs propriétés thérapeutiques. Certains azapeptides ont montré une meilleure activité, une meilleure sélectivité et une plus grande stabilité comparativement aux peptides parents ce qui prolonge leur durée d'action et les rend plus résistants aux dégradations métaboliques. Ce mémoire s’intéresse particulièrement à l’azapeptide : [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6. Celui-ci est un analogue du peptide sécréteur d’hormone de croissance 6 (GHRP-6, H-His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH₂), qui possède une affinité pour deux récepteurs distincts : les récepteurs de growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a) et le récepteur cluster of differentiation 36 (CD36). L’[aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6 démontre une sélectivité envers le récepteur CD36 offrant des possibilités de traitement de maladies telles que l’athérosclérose et la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). De plus, le récepteur CD36 peut interagir avec un corécepteur toll-like receptor 2 (TLR2), et l’[aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6 peut réduire des réponses immunitaires innées. La stratégie des prodrogues a été utilisée dans ce mémoire pour augmenter la durée d’action de l’azapeptide [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6. Plus précisément, cinq analogues des prodrogues α-acyloxyéthylcarbamates de l’aza(p-MeO)F⁴-GHRP-6 ont été synthétisées. Ce mémoire présente la première synthèse de prodrogues α-acyloxyéthylcarbamates à caractère PEG de l’[aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6. / A prodrug is a biologically inactive derivative of a drug which after administration undergoes chemical or enzymatic modification to release the active drug at targeted sites of activity. Prodrugs improve physicochemical properties to enable better transport through biological barriers and enhance activity. They are used to improve formulation and administration, to enhance permeability and absorption, to modify distribution profiles and to avoid metabolism and toxicity. The prodrug approach is useful for improving drug delivery. Prodrugs are classified into two types: carrier-linked prodrugs and bio-precursors. In the first case, the parent drug is linked by a covalent bond to an inert carrier or transport moiety. The carrier should not be active or toxic. The active drug is released by a chemical or enzymatic cleavage in vivo. In the second case, the parent drug is converted metabolically or chemically by hydration, oxidation or reduction reactions. Azapeptides employ a semicarbazide as an amino amide surrogate in a peptide analog in which the backbone α-CH is replaced by nitrogen. Through electronic interactions, the semicarbazide favors backbone β-turn geometry due to a combination of urea planarity and hydrazine nitrogen lone pair – lone pair repulsion. Azapeptides have proven therapeutic utility. Some of them exhibit better selectivity, activity and stability than the parent peptides with increased duration of action and improved metabolic stability. Growth hormone releasing peptide-6 (GHRP-6, H-His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH₂) is a synthetic peptide possessing an affinity for two different receptors: growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a) and cluster of differentiation receptor 36 (CD36). The GHRP-6 azapeptide analogue, [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6, has exhibited good affinity for CD36 and reduced nitric oxide overproduction in macrophage cells stimulated with the TLR-2 agonist R-FSL-1. Azapeptide ligands of CD36, such as [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6, offers potential as prototypes for developing treatments of diseases such as atherosclerosis and age-related macular degeneration. A prodrug strategy has been pursued to improve the pharmacokinetic properties, such as duration of action, of [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6. The first examples of α-acyloxyethyl carbamate peptides have been prepared. Five α-acyloxyethyl carbamate analogues of [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6 have been synthesized by routes featuring acylation of the resin-bound peptide using different activated α-acyloxyethyl carbonates prior to resin cleavage and side chain deprotection. The evaluation of the activity of the pharmacokinetic properties of the [aza(p-MeO)F⁴]-GHRP-6 prodrugs is currently in progress and will be reported in due time.

Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré. / Premature birth is a steadily increasing major medical problem, in spite of efforts made to counter the onset of preterm contractions. This thesis describes the rational design of a new therapeutic agent (i.e., tocolytic) capable of 1) stopping uterine contractions, and 2) prolonging gestation. The prostaglandin F2α receptor was explored for tocolytic development and a peptidomimetic approach was developed to produce modulators of this novel target. A brief discussion introduces the impact of preterm birth and history on the design and synthesis of a peptide lead, PDC113, to address this unmet medical need. Subsequently, the peptidomimetic approach is described for converting PDC113 to the small molecule PDC113.824, which was shown to be an allosteric modulator of prostaglandin F2α receptor, which mediates intracellular signalling pathways involved in uterine contraction. This thesis presents the design, synthesis and structure-activity relationship study of the peptide mimic PDC113.824, in which we have replaced the central β-turn mimic moiety, the indolizidin-2-one amino acid, by a series of other previously reported azabicycloalcane turn mimics and novel aza-amino acids. To accomplish the latter, new solution-phase methods for synthesizing aza-glycyl-proline analogs were developed starting from diphenyl hydrazone and p-nitrophenyl chloroformate. This strategy has surmounted side reactions such as the intramolecular cyclization commonly obtained with traditional coupling reactions employing alkyl-carbazates and phosgene, facilitating access to aza-glycyl-proline derivatives by a one step reaction. The modification of the aza-glycyl-proline using conventional strategies led to a new Smac mimic (a proapoptotic molecule), with potential as a tetrapeptide activator of apoptosis in cancer cells. Subsequently, we focused on the diversification of the aza-glycine residue by selective alkylation using different alkyl halides in the presence of potassium tert-butoxide. To validate the alkylation protocol, various alkyl groups were employed, and the usefulness of the resulting aza-dipeptides as ''building blocks'' was examined. Conditions were developed for selectively unmasking the protecting groups at the N- and C-terminal of the aza-dipeptide. In addition, removal of the amine protection of aza-alkylglycyl-proline methyl ester gave access to a class of compounds with therapeutic potential, the aza-diketopiperazines (aza-DKP), by intramolecular cyclization. Finally, our interest in developing a new tocolytic agent led us to develop a new solution-phase synthetic route to PDC113.824 for elucidating the intracellular signalling pathways of prostaglandin F2α receptor. To explore the importance of stereochemistry and to study the relationship between structure and activity, we replaced the central indolizidin-2-one (I2aa) of PDC113.824 by a series of others azabicycloalcanes and aza-dipeptides. The D-I2aa, quinazolidinone and indolizidin-9-one analogs were synthesized and incorporated into the mimic; however, none exhibited activity neither in vitro nor ex vivo, thus indicating the importance of a type II' β-turn for maintaining biological activity of PDC113.824. Finally, the synthesis of a series of aza(alkyl)glycyl-prolyl analogs led to new allosteric modulators of the PGF2α receptor, one containing aza-glycine and another aza-phenylalanine. This results reported in this thesis have contributed to the development of novel agents with promise for inhibiting preterm labor by the conception and application of new methods for making aza-peptides.

La délivrance intracytoplasmique de petites molécules hydrophiles et de gènes (ADN, ARN) est un défi majeur pour l’industrie pharmaceutique, puisque ces composés sont incapables de franchir les membranes biologiques par eux-mêmes. L’utilisation de nanovecteurs lipidiques permet de surmonter les étapes d’instabilité sanguine du gène thérapeutique, de pénétration cellulaire et d’échappement endosomal. Nous reportons dans cette thèse l’élaboration de nouveaux vecteurs lipidiques pH-sensibles, basés sur une bascule moléculaire capable de changer de conformation et déstabiliser le nanovecteur après protonation à pH acide, favorisant ainsi l’échappement endosomal du fragile contenu thérapeutique. Ce mécanisme de pH-sensibilité est non reporté dans la littérature jusqu’alors. Dans un premier temps, l’élaboration de lipides bascules pH-sensibles non-cationiques destinés à la délivrance liposomale de principes actifs hydrophiles est reportée. Ce premier travail introduit les lipides bascules, valide l’implication de la bascule moléculaire pH-sensible et apporte une première preuve de concept in vitro de faisabilité. Dans un second temps est introduit l’utilisation de nouveaux lipides bascules cationiques pH-sensibles pour la thérapie génique (délivrance in vitro et in vivo de siRNA), validant encore une fois l’implication de la bascule moléculaire dans l’efficacité de délivrance intracytoplasmique des siRNA. A l’issue de cette thèse sont identifiés deux lipides bascules (2 et CSL3) capables d’être introduits dans des nanoparticules lipidiques pour la délivrance de drogues et de gènes respectivement. De telles formulations permettraient la délivrance intracytoplasmique de composés hydrophiles thérapeutiques (drogues, gènes) pour le traitement du cancer ou pour des applications d’édition génomique. / Intracytoplasmic delivery of small hydrophilic molecules and genes (DNA, RNA) is a major challenge for the pharmaceutical industry, since these compounds are unable to cross biological membranes by themselves. Use of lipid nanocarriers enables overcoming the stages of blood instability of the therapeutic gene, cellular penetration, and endosomal escape. In this thesis, we report the development of new pH-sensitive lipid carriers, based on a molecular switch capable of changing its conformation upon protonation and destabilizing the nanocarrier, thus favoring endosomal escape of the therapeutic content. This pH-sensitivity mechanism has not been reported in the literature to date. Firstly, we report the elaboration of non-cationic pH-sensitive switchable lipids for liposomal delivery of hydrophilic active ingredients. This initial work introduces switchable lipids, validates the involvement of the pH-sensitive molecular switch, and provides early evidence of in vitro concept feasibility. Secondly, we present the use of pH-sensitive cationic switchable lipids for gene therapy (siRNA delivery in vitro and in vivo), again validating the involvement of the molecular switch in the effectiveness of intracytoplasmic delivery of siRNA. The two lead compounds identified during this thesis (2 and CSL3) can be included into lipid nanoparticles for drug and gene delivery, respectively. Such formulations allow intracytoplasmic delivery of therapeutic hydrophilic compounds (drugs, genes) and could be used to treat diseases such as cancer or for genome editing applications.

Dans ce mémoire, je présente mes études sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de différentes séries d’analogues du D-heptapeptide appelé 101.10, un modulateur négatif allostérique du récepteur de l’interleukine-1β (IL-1β). Sachant que les peptides ont généralement de faibles propriétés pharmacologiques, le but de ce projet portait sur l’examen des structures nécessaires à la bioactivité, la conformation tridimensionnelle de ces derniers afin d’améliorer la droguabilité du peptide parent. Les stratégies d’optimisation du 101.10 utilisées furent : la coupure N- et C-terminale; la substitution par la proline, α-amino-γ-lactame (Agl), β-amino-γ-lactame (Bgl) et α-amino-β-hydroxy-γ-lactame (Hgl); et la rigidification du squelette à l’aide d’un bicycle, l’indolozidin-2-one (I2aa). Afin de clarifier certaines relations de structure-activité, quelques modifications furent apportées au peptide, incluant l’échange de la thréonine pour la valine, la permutation de la stéréochimie de certains résidus clés ainsi que le remplacement de certaines chaînes latérales par un méthyle. Pour pallier aux difficultés de reproductibilité des résultats avec des échantillons provenant de différentes sources, des études sur l’identité du contre-anion et la pureté du peptide furent conduites. Afin d’évaluer l’effet des modifications sur la conformation aqueuse et l’activité biologique du peptide, des analyses de dichroïsme circulaire et des tests in vitro mesurant l’inhibition de certains effets de l’IL-1β furent effectués. Ces essais cellulaires comportaient l’inhibition de la prolifération de cellules immunes et de l’activation des voies de signalisation inflammatoires du facteur nucléaire κB (NF-κB) et de la protéine kinase activée par mitogène (MAPK), toutes deux stimulées par l’IL-1β. La compilation de ces données a permis de déceler certaines tendances entre la structure, la conformation et l’activité anti-IL-1β des peptidomimétiques. / In this thesis, I present my studies toward the synthesis, characterisation and biological evaluation of different series of analogues of the D-heptapeptide called 101.10, a negative allosteric modulator of the interleukin-1β (IL-1β) receptor. Considering that peptides generally exhibit poor pharmacological properties, the objective of this project consisted in: the examination of the peptidic structures essential to elicit bioactivity; the investigation of the three-dimensional arrangement of these moieties; and the improvement of the “drug-like” properties of the parent peptide. The optimisation strategies that were used include: N- and C-terminal truncation; positional scanning using monocycles such as proline, α-amino-γ-lactam (Agl), β-amino-γ-lactam (Bgl) and α-amino-β-hydroxy-γ-lactam (Hgl); and backbone rigidification with indolizidin-2-one (I2aa). Moreover, in order to validate certain structure-activity relationships, further modifications were performed on the peptide: substitution of threonine for valine, exchange of stereochemistry, and substitution of certain side-chain for a methyl group. Lastly, due to divergent behaviour between peptide samples obtained from different sources, studies on the identity of the counter-anion and on the sample purity were conducted. In order to evaluate the influence of these modifications on the aqueous conformation and on the biological activity of the peptide, circular dichroism analyses and in vitro tests measuring the inhibition of certain IL-1β-mediated effects were performed. These cellular assays comprised the inhibition of IL-1β-stimulated proliferation of immune cells, as well as activation of the inflammatory pathways of nuclear factor κB (NF-κB) and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. Compiling these data revealed certain trends existing between the structure, conformation and anti-IL-1β activity of the peptidomimetics.

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1. / Medical imaging based on fluorescence has suffered from the poor photostability and mediocre performance of organic fluorophores. The discovery and subsequent improvements in nanocrystal synthesis and functionalization has greatly benefited the applications in medical imaging and the development of nanocrystal-based sensors for diagnostics. QDs are semi-conductor nanocrystals which have similar sizes as proteins (2-10 nm). They are highly luminescent, and can be made to emit at any desired wavelength by varying their size and composition. The surface of QDs can be easily functionalized with biomolecules. Hence, it is interesting to study how QDs interact in the biological world. Highly luminescent core-shell QDs emitting at different wavelengths were prepared according to our needs. In a first study, the surface of the QDs was modified with various small bi-functional thiolated ligands (carboxylated, aminated and zwitterionic). The modified-QDs of nearly identical sizes were administered in vitro to study the impact of surface charge and cell type on the mode and extent of cell uptake and elimination. Using specific inhibitors of cell uptake we determined which modes contributed to the internalization of the QDs. Endocytosis mediated by lipid rafts represented the predominant pathway for the internalization of QDs. However, other modes contributed to a lesser degree, depending on the surface ligand. We then analyzed the effect of QD agglomeration in cell culture media on its cellular uptake by microglia. Thorough characterization of QD agglomerate size distribution was conducted by asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4) with a dynamic light scattering detector. Depending on the type of surface ligand and if serum proteins were present, the agglomeration pattern of the QDs was significantly different. With inhibitors of specific modes of cell uptake, we showed that the size distribution data, obtained by AF4, correlated with the modes of cell uptake. Microglia cells are immune cells of the central nervous system (CNS). They respond to injury or the presence of inflammagens by producing pro-inflammatory cytokine. Inflammation in the CNS may lead to loss of neurons, and can found in many chronic diseases. We were interested in building nanosensors to measure the onset of inflammation. Current methods to study inflammation consist in measuring levels of certain proteins or chemicals released by stressed cell (e.g. Western blot or ELISA assay for IL-1β). Although precise, these methods measure indirectly the activity of the enzyme responsible for releasing IL-1β, i.e. caspase-1. Moreover, these methods cannot be applied to live cells. We designed a sensor based on FRET between a QD and a dye linked by a peptide specifically cleaved by the caspase-1. To induce inflammation, we applied lipopolysaccharides (LPS), which are endotoxins present in Gram negative bacteria responsible for sceptic shock. The LPS form nanoparticles due to their amphiphilicity. The interior hydrophobic regions were used to load hydrophobic QDs, making the LPS luminescent. The microglia internalized LPS-QD predominantly through TLR-4 membrane receptors. We describe how the LPS induce inflammation and demonstrated the functionality of the QD-based sensor. Eventually, the sensor could be used to monitor in real time the action of therapeutics against inflammation.