Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La thérapie photodynamique (PDT) est une méthode de lutte contre le cancer basée sur l’utilisation de la lumière et d’un composé sensible à la lumière, appelé photosensibilisateur (PS). Le PS absorbe la lumière et, en présence d’oxygène, engendre la production des dérivés réactifs de l'oxygène (DRO), lesquels sont toxiques et provoquent la régression de la tumeur. La limitation principale des PSs utilisés dans les tests cliniques est leur faible sélectivité envers les tissus cancéreux. Le but principal de ce projet est de créer des agents multifonctionnels combinant sur une même molécule l’activité PDT, la vectorisation et l’imagerie optique proche infrarouge. Dans cette région du spectre optique, les cellules possèdent une faible autofluorescence, et la lumière proche infrarouge pénètre plus profondément dans les tissus biologiques que la lumière visible. Nous proposons ici de modifier une structure dendrimérique de type poly(amidoamine) de génération 3, en tant que plateforme polyvalente. En effet, ce dernier possède trente-deux groupes terminaux qui peuvent être facilement substitués par des PSs. De plus, cette macromolécule peut complexer dans ses cavités jusqu’à 8 cations lanthanides émettant dans le proche infrarouge. Quatre nouveaux ligands dendrimère ont été synthétisés avec différents PSs tels que des dérivés de naphtalimide, d’anthraquinone et de tétraphénylporphyrine. De plus, le naphtalimide a été couplé avec des groupes dérivés de l’acide folique pour assurer la vectorisation envers les tissus cancéreux. Les complexes de lanthanide émettant dans le proche infrarouge ont été préparés pour chaque dendrimère. La caractérisation des performances des différents complexes a été réalisée. La production de DRO et la présence de complexes d’Yb(III) a été démontrée dans les cellules HL60. Les dendrimères modifiés par les groupes anthraquinone et tétraphénylporphyrine en tant que PS, ont montré, dans les cellules vivantes, une émission proche infrarouge lorsqu’ils sont sous la forme de complexe d’Yb(III). Les résultats obtenus montrent que les complexes de lanthanides formés avec des ligands dendrimères peuvent servir comme des agents de PDT et des rapporteurs luminescents proche infrarouge in cellulo. / PDT is a cancer treatment that uses the combination of a nontoxic photoactivated molecule (photosensitizer), an appropriate source of light excitation and molecular oxygen to generate reactive oxygen species (ROS) leading to the decrease of size or to the destruction of tumors. However, the PDT efficiency of currently used drugs is limited by the selectivity for the cancer tissue. The main goal of this work is to develop a multifunctional agent which combines a PDT activity, a tumor targeting and near-infrared (NIR) optical imaging. The use of reporters that absorb at low energy is justified by low tissue autofluorescence and high tissue penetration depth in the NIR spectrum window. For this purpose, we have chosen the generation-3 poly(amidoamine) dendrimers as a versatile platform. Such macromolecules can incorporate eight NIR emitting lanthanide ions inside their branches forming species with thirty-two end groups at the periphery that can be substituted by suitable photosensitizers. Four new dendrimer ligands were synthesized with different photosensitizers, such as derivatives of naphthalimide, anthraquinone, and porphyrin. In addition the naphthalimide photosensitizer was functionalized with a targeting molecule, based on folic acid, to induce selectivity of the molecule towards cancer tissues. The corresponding NIR emitting lanthanide complexes were prepared for each dendrimer. Four Yb(III)-dendrimer complexes were characterized for their photophysical and ROS production properties. All complexes demonstrated a ROS production. The dendrimer functionalized with anthraquinone and tetraphenylporphyrin photosensitizers show strong NIR emission in living cells. These new multifunctional Yb(III)-dendrimer complexes have been designed to broaden the current scope of PDT agents and of NIR optical imaging agents.

Les traitements et l’imagerie des tumeurs cérébrales malignes se sont avérés jusqu’à présent très peu efficaces, en raison de la présence de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui freine le passage des molécules thérapeutiques mais aussi diagnostiques vers les tissus du système nerveux central (SNC). Le développement de vecteurs nanométriques chargés en agents thérapeutiques et capables de traverser la BHE pourrait être une alternative pour améliorer la bio-distribution de principes actifs et d’agent d’imagerie au cerveau. Parmi les différents types de vecteurs proposés, les nanoparticules polymériques (NP) constituées de polymères dibloc comportant un bloc de poly (éthylène glycol) (PEG) pourrait présenter une solution prometteuse pour transporter des actifs à travers la BHE. La PEGylation de la surface des NPs améliore la stabilité colloïdale des NPs. De plus, elle diminue l'adsorption non spécifique des protéines à la surface de NPs (appelée aussi opsonisation). La vitesse de clairance des NPs est ainsi ralentie et les NPs circulent plus longtemps dans le sang. Malgré l’effet bénéfique de la couche de PEG à la surface des NPs, le rôle exact des propriétés de surface liées à la longueur de la chaîne PEG sur l'interaction des NPs avec les cellules endothéliales vasculaires est mal compris. Dans une première partie de ce travail, le rôle de la longueur de PEG sur l'endocytose et la transcytose des NPs a été étudié sur des monocouches de cellules bEnd.3, un modèle in vitro de BHE. Les mécanismes de transport des NPs ont été évalués en utilisant différents inhibiteurs de l'endocytose. La quantification du taux d'endocytose et de transcytose a révélé que l'endocytose et la transcytose des NPs augmentaient avec la longueur de la chaîne de PEG. Les taux d'endocytose et de transcytose les plus élevés ont été observés pour les NPs de PLA-PEG5000 et de PLA-PEG10000. Les résultats de l’étude mécanistique démontrent que la longueur de la chaîne de PEG influence la voie d'endocytose empruntée par les NPs PEGylées à travers un modèle in vitro de BHE. Dans une seconde partie de ce travail, l'effet de la longueur du PEG sur la toxicité des NPs et les processus inflammatoires a été étudié sur deux modèles de monocouche de cellules endothéliales vasculaires, soit les cellules bEnd.3 et HUVEC. L'effet de la longueur des chaînes de PEG sur l'expression des gènes impliqués dans la réponse inflammatoire aux NPs PEGylées a été évalué par qPCR. De plus, le potentiel de génération de dérivés réactifs de l'oxygène (DRO ou ROS) par les NPs a été évalué en utilisant le test cellulaire basé sur l'oxydation de la DCFH-DA. Les résultats démontrent que les NPs PEGylées induisent une augmentation légère et transitoire de l’expression des gènes des cytokines et des chimiokines inflammatoires. Cependant, la longueur des chaînes de PEG ne présente pas un effet significatif sur l'expression des gènes des cytokines et des chimiokines. De plus, nos résultats ne montrent pas l’induction de la génération de ROS par les NPs PEGylées. En résumé, la longueur de chaine de PEG influence le taux d’endocytose et de transcytose. La voie d’endocytose impliquée dans l’internalisation et la transcytose est influencée par la longueur des chaines de PEG. En revanche, les différences de longueur des chaines de PEG ne modulent pas significativement l’expression des cytokines et de chimiokines inflammatoires. Ces résultats devraient contribuer à développer des nanoformulations qui traversent plus efficacement la BHE, tout en minimisant les effets toxiques, notamment inflammatoires sur les cellules endothéliales vasculaires de la BHE. Ces perspectives devront toutefois être confirmées sur des modèles in vivo. / To date, imaging and treatment of brain tumors are proved to be very inefficient due to the presence of the blood-brain barrier (BBB). The (BBB) is a semipermeable barrier which prevents or restrains most therapeutic and diagnostic molecules reach the central nervous system (CNS). Polymeric nanoparticles (NPs) loaded by therapeutics molecules and diagnostic agents could represent a promising solution to help active ingredients to cross the BBB and as a consequence, their biodistribution to the brain could be improved. Polymeric NPs composed of di-block copolymers, such as poly (ethylene glycol) blocks (PEG) that bind to polyester hydrophobic chains, are considered one of the most versatile nanocarriers for transporting therapeutic molecules across the BBB. PEG on the surface of NPs improves the NPs colloidal stability. Furthermore, PEG surface coating decreases the non-specific adsorption of proteins on the surface of NPs (also called opsonization); therefore, the clearance rate of the NPs is slowed down and NPs circulation times in blood is extended. Despite the beneficial effect of the PEG coating on the surface of NPs, the exact role of the surface properties related to the PEG chain length on NPs interactions with the vascular endothelial cells is poorly understood. In first article, the role of PEG chain length on brain vascular endothelial cells endocytosis and transcytosis is investigated on monolayers of bend.3 cells as an in vitro BBB model. The NPs transport mechanisms were then investigated by using different endocytosis inhibitory processes. Our results revealed that NPs endocytosis and transcytosis rates increased with PEG chain length. Higher endocytosis and transcytosis rates were observed for PLA-PEG5000 and PLA-PEG10000 NPs. Moreover, the mechanistic studies demonstrated that the PEG chain length influenced the endocytosis pathway taken by PEGylated NPs through an in vitro model of BBB. In second article, the effect of PEG length on NPs cytotoxicity and inflammatory processes has been investigated in two vascular endothelial cell lines (bEnd.3 and HUVEC). The effect of PEG chain length coating on gene expression that are involved in the inflammation response was investigated by qPCR. Moreover, the potential Reactive Oxygen Species (ROS) generation was evaluated with DCFH-DA probe. The results showed that PEGylated NPs induce a mild and transient activation of inflammatory cytokine and chemokine genes. However, the length of the PEG chains did not modulate significantly gene expression of inflammatory cytokines and chemokines. Furthermore, our results showed that PEGylated NPs did not induce ROS generation. In summary, the chain length of PEG influences the endocytosis and transcytosis rate. The pathway of endocytosis involved in internalization and transcytosis is influenced by the length of PEG chains. In contrast, differences in the length of PEG chains did not significantly modulate the expression of cytokines and inflammatory chemokines. These results contribute to develop nanoformulations that cross the BBB more efficiently while keeping the toxic and inflammatory effects minimal, particularly on the vascular endothelial cells of the BBB. Nevertheless, these perspectives have to be confirmed on in vivo models.