La résistance aux médicaments constitue un obstacle majeur pour le traitement du cancer. Les systèmes nanoparticulaires de délivrance de médicaments (nanoparticule drug delivery system, NDDS) sont pressentis pour apporter un nouvel espoir dans le traitement du cancer afin de surmonter la résistance aux médicaments en délivrant spécifiquement l’agent anticancéreux dans la lésion tumorale par effet EPR. Cela aura pour effet d’augmenter la concentration locale en médicaments et par conséquent d’améliorer l'efficacité thérapeutique tout en épargnant les tissus sains afin d'éviter les effets secondaires liés à la thérapie. Dans la mesure où la tumeur a souvent un microenvironnement acide, nous souhaiterions en outre doter nos nanoparticules NDDS d’une sensibilité pH-dépendante afin de permettre une délivrance spécifique dans la tumeur. Au cours de cette thèse, nous avons élaboré différents NDDSs sensibles aux variations de pH en employant des stratégies différentes. Ces NDDSs peuvent spécifiquement libérer le médicament au niveau du tissu tumoral et dans les cellules elles-mêmes à des valeurs de pH acides. En augmentant la concentration intracellulaire de médicament, l'objectif de surmonter la résistance aux médicaments pourrait ainsi être atteint. La présente étude a permis de fournir de nouvelles connaissances sur la conception de nano-transporteurs pour surmonter la résistance multidrogue par l’élaboration de NDDS sensibles au pH et constitue donc un exemple illustrant parfaitement le fait que les progrès des nanotechnologies peuvent être avantageusement mis en œuvre pour développer de nouvelles perspectives thérapeutiques. / Drug resistance presents a great hurdle to cancer treatment. Nanotechnology-based drug delivery systems (NDDSs) are widely expected to bring new hope for cancer therapy to overcome drug resistance by specifically delivering anticancer drugs to tumor lesions via the EPR effect, hence increasing local drug concentrations and consequently enhancing therapeutic efficacy, and at the same time, sparing healthy tissues to avoid side effects. As tumors often have an acidic microenvironment, we would like to further endow the NDDS with a pH-responsive drug releasing property for specific tumor targeting. In this thesis, we established different pH-responsive NDDSs by employing different strategies. These NDDSs could specifically control drug release at tumor tissues and within tumor cells in response to acidic pH. By increasing the intracellular drug concentration, the goal of circumventing drug resistance in cancer was achieved. The present study provides new insights into the design of nanocarriers to overcome drug resistance through pH-responsive drug delivery, and illustrates how advances in nanotechnology can be advantageously implemented to enhance therapeutic outcomes.

Au laboratoire, une méthode originale d'encapsulation par transacylation entre l'alginate de propylène-glycol (PGA) et une protéine a été mise au point. Cette méthode est basée sur la création de liaisons amides entre les fonctions amines libres de la protéine et les groupes esters du PGA dans une phase aqueuse émulsionnée (E/H) après alcalinisation. Les microparticules obtenues, stables, biocompatibles et biodégradables, sont potentiellement intéressantes pour la délivrance de substances actives en thérapeutique ou en cosmétique.Le premier objectif de ce travail est d'étudier l'influence des propriétés physicochimiques des deux biopolymères (protéine et PGA) et de leurs solutions, ainsi que l'effet des paramètres de préparation sur la réaction de transacylation et sur les propriétés des microparticules obtenues. Pour cela, la sérumalbumine humaine (HSA) a servi de protéine modèle et les microparticules ont été préparées dans différentes conditions physicochimiques puis caractérisées. Différents liens ont été établis entre les propriétés physicochimiques des solutions initiales des deux polymères et les propriétés fonctionnelles des microparticules obtenues.Le deuxième objectif est de remplacer le PGA, seul polysaccharide utilisable jusqu'à présent pour la microencapsulation par transacylation, par d'autres polysaccharides naturels, dans la préparation de microparticules. Etant donné ses propriétés intrinsèques limitantes, le remplacement du PGA par d'autres esters polysaccharidiques parait avantageux dans le domaine d'application des microparticules.Dans ce travail, le PGA a été remplacé par une série d'esters semi-synthétiques d'alginate puis par d'autres polysaccharides estérifiés naturels (pectines) ou semi-synthétiques (esters polypectiques et esters de l'acide hyaluronique). Les conditions optimales pour l'utilisation de chaque ester ont été alors déterminées. / In our laboratory, an original method of microencapsulation was developed, based on the use of a transacylation reaction, creating covalent bonds between proteins and propylene glycol alginate (PGA). The covalent bonds are created after alkalization of the aqueous phase of a W/O emulsion, without using bifunctional crosslinking reagent.The resulting microparticles, which are stable, biocompatible and biodegradable, have potential applications for the delivery of active compounds for therapeutics or cosmetics.The first aim of this work is to study the influence of the physicochemical properties of the two polymers (protein and PGA) and of their solutions, as well as the effect of the preparation parameters on the transacylation reaction and on microparticle characteristics. For this purpose, human serum albumin (HSA) was picked as a model protein and microparticles were prepared using several physicochemical conditions then characterized. Several relationships were established between the physicochemical properties of the initial solutions of the two polymers and the functional properties of the resulting microparticles.The second purpose is to replace the PGA, only polysaccharide used for microencapsulation by transacylation so far, by other natural polysaccharides in the preparation of microparticles. Given its limiting intrinsic properties, the replacement of PGA by other polysaccharidic esters seems advantageous in the field of microparticle applications.In this work, the PGA was successfully replaced by a series of semisynthetic alginate esters, and then by other polysaccharidic esters, either natural esters (pectin) or semisynthetic esters (polypectate esters and hyaluronate esters). The optimal conditions for the use of each ester were then determined.

Les poumons présentent de nombreux avantages en tant que voie d’administration de médicaments. Ils possèdent une grande surface (70-100 m2) pour l’adsorption de molécules et de particules, une mince barrière épithéliale, une faible acidité ainsi qu’un système vasculaire sous-jacent abondant. L’administration par inhalation est une approche prometteuse pour le traitement du cancer des poumons et des infections microbiennes comorbides dans 33% des cas puisqu’elle permet la livraison ciblée d’agents chimiothérapeutiques. Les nanoparticules sont des vecteurs idéaux d’acheminements ciblés de médicaments avec des avantages tels qu’une stabilité élevée/une longue durée de conservation ainsi qu’une capacité de transport élevée. Les nanoparticules inhalées atteignant les alvéoles pulmonaires interagissent avec le surfactant pulmonaire. Ce mélange de lipides et de protéines tapisse l’interface eau/air des alvéoles servant ainsi de barrière. L’interaction physique et chimique des nanoparticules avec le surfactant pulmonaire déterminera leur clairance, rétention et translocation. Nous proposons l’utilisation de nanoparticules de phytoglycogène, extraites de maïs sans OGM, pour l’administration pulmonaire d’un peptide anticancéreux et antimicrobien à double action dont l’administration par voie orale ou par injection est problématique. Le nanophytoglycogène, composé de molécules de glucose, est non-biopersistant, non-toxique et est certifié GRAS (Generally Recognized as Safe) par le Food and Drug Administration pour l’ingestion. Cependant, son innocuité pour l’inhalation reste à déterminer. Avant de déterminer l’efficacité du nanophytoglycogène à des fins de nanotransporteur organique pour la délivrance par aérosol de peptides thérapeutiques, son impact sur les propriétés biophysiques et sur la structure de phase du surfactant pulmonaire doit premièrement être caractérisé. L’objectif du projet est d’étudier les effets de nanophytoglycogène de différentes charges sur les propriétés physicochimiques de modèles du surfactant pulmonaire en utilisant les monocouches Langmuir. Plus précisément, il est question d’étudier les effets des nanoparticules sur l’activité de surface, la morphologie, la réversibilité ainsi que l’épaisseur du film du surfactant pulmonaire. L’imagerie par microscopie à angle de Brewster (BAM, Brewster Angle Microscopy), les isothermes (pression de surface vs aire moléculaire) ainsi que l’ellipsométrie à l’interface eau-air permettent une conjecture des effets néfastes potentielles du nanophytoglycogène sur les poumons. À l’aide de ces techniques, il a été possible d’étudier des monocouches de phospholipides et de protéines, représentant le surfactant pulmonaire. En présence de nanoparticules anioniques et quasi-neutres, les différentes monocouches ne subissaient aucune perturbation. Cependant, les résultats ont démontré que les nanoparticules cationiques se lient aux phospholipides anioniques, ce qui augmente l’épaisseur de la monocouche et ainsi le travail requis pour effectuer un cycle respiratoire. Ces travaux ont démontré l’importance de la charge des nanomatériaux lors de leur interaction avec le surfactant pulmonaire. De plus, les résultats de cette étude ont aussi permis de classer les nanophytoglycogènes quasi-neutre et anionique comme étant des vecteurs de médicaments potentiels. / The human lungs present many advantages as a drug delivery route, namely a high surface area (70-100 m2) for the adsorption of molecular species and particles, a thin epithelial barrier, an abundant underlying vasculature, and low acidity. Inhalation delivery is expected to be an ideal approach for the treatment of lung cancer and associated pulmonary infection (33% of cases) as it allows the site-specific physical delivery of chemotherapeutic. Nanoparticle carriers broaden the options for targeted drug delivery systems with advantages including high stability/long shelf life and high carrier capacity. In the alveoli, inhaled nanoparticles interact with lung (pulmonary) surfactant, a lipid/protein mixture that lines the alveolar air/fluid interface and serves as a primary barrier to uptake. The physical/chemical interaction of the nanoparticles with the surfactant determines their clearance, retention, and translocation. We propose to use novel phytoglycogen nanoparticles, extracted from non-GMO corn, for the pulmonary delivery of a dual action anticancer and antimicrobial peptide that is problematic to deliver orally or by injection. Nanophytoglycogen, composed of glucose molecules, is non-biopersistent, non-toxic and is GRAS (Generally Recognized as Safe) for oral ingestion. However, its safety for inhalation remains to be determined. Before evaluating the efficacy of nanophytoglycogen to serve as an organic nanocarrier for the aerosol delivery of peptide therapeutics, their impact on the biophysical properties and phase structure of lung surfactant must first be characterized. The objective of the research is to investigate the effect of nanophytoglycogens of different surface charge on the physicochemical properties of pulmonary surfactant model systems using Langmuir monolayers. More specifically, the effect of the nanoparticles on the surface activity, morphology, reversibility, and film thickness of pulmonary surfactant is studied. Isotherms (surface pressure vs. molecular area), BAM (Brewster Angle Microscopy) imaging, and ellipsometry at the air-water interface allow a surmise of the potential adverse effects of nanophytoglycogen on the lungs. Using these techniques, it was possible to study monolayers of phospholipids and proteins, representing the pulmonary surfactant. In the presence of anionic and quasi-neutral iv nanoparticles, the different monolayers didn’t undergo any disturbance. However, the results demonstrated that cationic nanoparticles bind to anionic phospholipids, which increases the thickness of the monolayer and thus the work required to complete a respiratory cycle. This study has demonstrated the importance of nanoparticle’s surface charge during their interaction with pulmonary surfactant. In addition, the results of this study also made it possible to classify the quasi-neutral and anionic nanophytoglycogens as being potential drug vectors.

L’objectif de ce travail de recherche est le développement d’un biomatériau original permettant la libération retardée de principes actifs afin de résoudre les problématiques de diffusion trop rapide ou incontrôlée souvent rencontrées avec les systèmes de délivrance classiques. Un assemblage « hybride » composé de liposomes incorporant le principe actif, eux-mêmes incorporés dans un hydrogel physique de chitosane a été mis au point dans le cadre de ce travail. Pour élaborer ce système, une suspension de liposomes préformés est ajoutée à une solution de chitosane avant sa gelification. Une caractérisation des différents composants ainsi qu’une optimisation de ce processus d’élaboration ont été effectuées au cours de cette thèse. Les propriétés de relargage ont été étudiées via l’incorporation d’une molécule hydrosoluble jouant le rôle de modèle de principe actif. La carboxyfluorescéine (CF), dosable par fluorescence, a permis de confirmer le concept de « relargage retardé » : la quantité de CF libérée au cours du temps est plus élevée lorsque cette dernière est directement incorporée dans l’hydrogel, par rapport au cas où elle est intégrée dans l’assemblage « hybride ». Sur la base de ces résultats, l’incorporation et le relargage de deux principes actifs, la rifampicine (RIF), un antibiotique à large spectre, et la lidocaïne, un anesthésique local anti-arythmique, ont également été étudiées. Ce travail a permis de confirmer les résultats obtenus pour la molécule modèle, à savoir un retard au relargage significatif pour les assemblages par rapport aux hydrogels sans liposome. Diverses caractérisations ont également été menées pour examiner les propriétés rhéologiques et la morphologie de ces assemblages. Ces résultats représentent une avancée intéressante pour la valorisation de tels assemblages « hybrides » dans le domaine biomédical, et mettent en évidence le rôle des liposomes en tant que « réservoirs » de principes actifs au sein même de ces assemblages. / This work deals with the development of an original biomaterial in view of its application as drug delayed-release device in biomedical area. To overcome classic issues that may be encountered with common drug delivery systems such as the “burst effect” or fast outside diffusion of drugs, a « hybrid » system composed of liposomes entrapped within a chitosan physical hydrogel was developed. Its elaboration process consists in the addition of a suspension of pre-formed phosphatidylcholine liposomes within a chitosan solution before gelation process. A characterization of different components of the system and an optimization of the elaboration process were achieved. The release properties were firstly investigated using a water-soluble fluorescent model molecule, carboxyfluorescein (CF). The concept of delayed-release was confirmed. Indeed, the release of CF, assayed by fluorescence spectroscopy, was found to be higher in the “drug-in-hydrogel” systems in comparison with the “drug-in-liposomes-in-hydrogels” ones. Based on these results, the release of two drugs, rifampicin (RIF), a broad spectrum antibiotic, and lidocaine (LID), a local anaesthetic and anti-arrhythmic drug, were also studied. This work corroborated the data obtained for the model molecule, that is to say a significant delayed release for « hybrid » systems in comparison to hydrogels without liposome. Various characterizations were carried out to examine rheological properties and morphologies of assemblies. These first results showed that such systems could be a step forward in drug delivery, and highlighted the use of liposomes as drug « reservoirs » within assemblies.

La surdité de perception est généralement la conséquence de la mort des cellules ciliées et de la dégénérescence supplémentaire des innervations afférentes induite par une absence de stimulation. Les indications de l’implant cochléaire se sont élargies en direction des patients sourds qui présentent un reliquat d’audition exploitable dans les fréquences graves. La persistance d’un reliquat auditif suffisant après l’intervention permet parfois une stimulation électrique acoustique, amplifiée acoustique sur les fréquences graves préservées, et électrique sur les fréquences aiguës. Actuellement, plusieurs protocoles de préservation de l’audition sont en investigation. Chaque protocole vise à appliquer des procédures qui minimisent les deux mécanismes du traumatisme, à savoir trauma immédiat et trauma différé. En particulier, une insertion atraumatique du porte-électrode (Flex EAS et Flex Soft ; Med-El) a été proposée pour minimiser le traumatisme chirurgical intracochléaire. L’application local et concomitante de médicament devrait améliorer la tolérance du tissu et donc réduire les dommages intracochléaire au niveau cellulaire. Un cathéter (Med-El) intra cochléaire pour la délivrance de médicaments intracochléaire a été développé, destiné à l’utilisation d’agents pharmacologiques in situ avant l'insertion du porte-électrode. Les propriétés mécaniques de ce cathéter n’induit pas de traumatisme dans la cochlée. Une insertion séquentielle de cathéter et de porte-électrodes est réalisable et souvent atraumatique / Sensorineural deafness is generaly the result of hair cell death and additional degeneration of afferent innervation. In recent years the candidacy criteria for cochlear implantation have been expanding, and now include patients with severe to profound high-frequency hearing loss along with mild to moderate low-frequency loss. The single most important prerequisite for providing both electric and acoustic stimulation in the same ear is the preservation of acoustic hearing following the surgical procedure. Currently, several hearing preservation protocols are under investigation. Each protocol attempts to implement procedures that minimize both immediate and delayed mechanisms. Specifically, atraumatic approaches and electrode insertions (Flex EAS and Flex Soft) have been proposed that aim at minimizing the surgical aspect of intracochlear trauma. The concomitant application local of drugs should enhance tissue tolerability and thus reduce intracochlear damage on a cellular level. Acute and topical, intracochlear drug delivery prior to electrode array insertion with a disposable single-use catheter (Med-El) has been evaluated and developed. The flexible properties of this catheter are enough to be inserted without trauma in the cochlea. Sequential insertion of intracochlear catheters and electrode arrays is feasible and often atraumatic

Ce travail de thèse concerne l'étude théorique des mécanismes d'interaction de nanostructures à base de carbone avec les membranes cellulaires, constituant l'essentiel des cellules vivantes. Ce sujet très complexe compte tenu de la pluridisciplinarité de la thématique a été essentiellement réalisé à l'aide de simulations numériques. Nous avons volontairement partagé ce travail en deux parties distinctes. Nous avons d'abord étudié le fonctionnement des canaux ioniques à l'aide de la dynamique moléculaire et des études ab-initio. Ces canaux sont d'une part des protéines membranaires essentielles pour la fonction cellulaire, et d'autre part, elles constituent aussi des cibles thérapeutiques fréquentes dans la recherche des nouveaux médicaments. Dans une seconde partie, nous avons étudié le comportement d'espèces carbonées nus et fonctionnalisés tels que les fullerènes (C60) et les nanotubes (CNT) en présence de la membrane cellulaire en analysant finement le mécanisme d'ingestion (ang. uptake) de ces vecteurs de médicaments potentiels par les membranes biologiques. Ces études en dynamique moléculaire sur des temps très longs (sub-1 μs) et sur des systèmes très vastes étaient aussi le challenge du point de vue informatique. Pour palier la problématique dans le temps limitée d'une thèse le développement des calculs parallèles de haute performance CPU/GPU a du être mis en place. Les résultats obtenus tentent de mettre en évidence le rôle toxique que peuvent présentées certaines nanostructures vis-à-vis des protéines membranaires précédemment étudiées. Ce travail de thèse ouvre naturellement la voie à l'étude des nanovecteurs biocompatibles pour la délivrance des médicaments.