Ce travail de thèse s’intéresse à l’introduction de méthodologies électrochimiques dans la problématique de la caractérisation du transport de peptides pénétrants (CPPs) à travers des membranes phospholipidiques. Malgré leur charge électrique globalement positive, ces peptides sont en effet capables de traverser les bicouches lipidiques de cellules réelles ou artificielles (liposomes) et il n’existe pas à ce jour de mécanisme d’internalisation universellement admis. Dans ce contexte, nous avons dans un premier temps développé des méthodologies visant à détecter des peptides pénétrants marqués par des sondes rédox en optimisant les conditions de volume et de confinement à l’électrode. Parallèlement, nous avons tenté d’observer le passage transmembranaire de ces peptides en utilisant un dispositif dérivé du patch-clamp, dans lequel un morceau (patch)de membrane lipidique est excisé d’une vésicule géante et le suivi du passage assuré par une détection ampérométrique sur ultramicro-électrode à proximité de la membrane. La sensibilité de la technique ampérométrique et le flux de CPP s’avérant faibles, nous nous sommes tournés vers une stratégie associant fluorescence (pour la sensibilité) et commande électrochimique (pour l’extinction de la fluorescence). Dans la mesure où les phospholipides constituent la barrière dynamique à travers laquelle doivent passer les CPPs, nous avons d’abord étudié l’extinction électrochimique de phospholipides marqués par une sonde à la fois rédox et fluorescente, le NBD. Observée sur des vésicules géantes au microscope confocale, la réduction électrochimique a permis l’extinction sélective des phospholipides situés sur le feuillet externe de la vésicule, un résultat que ne permettent ni la réduction par des agents chimiques (dithionite), ni les techniques de « photobleaching ». Cette propriété a été confirmée cette fois-ci pour des CPPs marqués par le NBD qui ont été mis à incuber en présence de vésicules géantes et pour lesquels un essai préliminaire semble confirmer une extinction de fluorescence essentiellement pour les peptides associés au feuillet externe de la vésicule. / This PhD work was aimed at introducing electrochemical strategies in the general topic devoted to the characterization of the passage of cell penetrating peptides (CPPs) across phospholipidic membranes. Although positively charged, CPPs are prone to cross lipidic bilayers of real and artificial cells (liposomes) and there is no commonly admitted internalization mechanism so far. Therefore, we first developed electrochemical setups aimed at improving the amperometric detection of redox-taggedCPPs, through optimization of volume and confinement. Additionally, we have made attempts to use patch-clamp inspired setups to monitor the passage of CPPs across a membrane patched from a giant vesicle using ultramicro-electrodes in the close vicinity of the patched membrane. Since the amperometric technique displayed poor sensibility and the flux of CPP was too narrow, we changed our strategy for a methodology coupling fluorescence (for the sensitivity) and an electrochemical command (to achieve fluorescence extinction). Considering that phospholipids are forefront actors of CPP internalization, we first focused on the electrochemical quenching of phospholipids tagged with a probe displaying both redox and fluorescent properties (NBD). Observed on giant unilamellar vesicles (GUVs) with confocal microscopy, the electrochemical reduction of the NBD probe led to the selective extinction of the phospholipids located on the outer leaflet of the vesicle, a selectivity which is not observed using chemical quenchers such as dithionite or photobleaching methods. That property was extended to NBD-tagged CPPs, previously incubated with unlabeled Guvs and that preliminary experiment confirmed that the electrochemical extinction mostly concerned peptides associated to the outer leaflet of the liposome.

L’imagerie préclinique est devenue une ressource incontournable pour l’évaluation de paramètres physiopathologiques, pour le suivi du développement tumoral ainsi que pour le développement de thérapies anticancéreuses. Les évolutions technologiques apparues ces dernières années ont conduit au développement de nouvelles modalités d’imagerie ayant un fort potentiel de translation vers la clinique. Ce manuscrit présente diverses approches par imagerie échographique, photoacoustique et de fluorescence dans le proche infrarouge pour le suivi de la pathologie cancéreuse. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de l’hypoxie et son suivi au cours du temps dans différents modèles de cancers humains. Différentes stratégies d’imagerie multimodale ont ensuite été mises en oeuvre pour évaluer l’efficacité d’une nouvelle prodrogue thérapeutique permettant la libération d’une molécule active dans le proche environnement tumoral sur des modèles humains de tumeurs pancréatiques, mammaires, pulmonaires. Enfin, dans un contexte de recherche translationnelle, nous avons exploré le potentiel de l’imagerie photoacoustique et de la fluorescence infrarouge pour la mise en évidence de l’invasion ganglionnaire tumorale en mettant en oeuvre des modèles de ganglions sentinelles minimalement envahis. Au cours de ce travail, nous avons montré l’intérêt du suivi de l’hypoxie tumorale en onco-pharmacologie et mis en évidence le fort potentiel de l’imagerie PA pour les approches translationnelles en oncologie. La principale limitation correspond à la profondeur relativement faible des régions explorables, mais ce point suscite actuellement de nombreux développements technologiques. Les études de faisabilité réalisées ainsi que la validation de protocoles de preuves de concept permettront l’exploitation en routine de ces nouvelles modalités d’imagerie. / Preclinical imaging has become an unavoidable step for pathophysiological parameters assessments, for the follow up of tumor growth and for the anticancer therapies development. Technological improvements have emerged in recent years, allowing the emergence of new imaging modalities with a high potential for translation into clinical practice. This manuscript presents several approaches by ultrasound imaging, photoacoustics and near infrared fluorescence in order to monitor the cancer pathology. Initially, we focused on the characterization of hypoxia and its longitudinal assessment in various preclinical models of human cancers. Various multimodal imaging strategies were implemented to assess the efficacy of a new therapeutic prodrug allowing the release of an active molecule in the tumor microenvironment on human models of pancreatic, breast and lung tumors. Finally, in a context of translational research, we explored the potential of photoacoustic and near infrared fluorescence imaging to highlight the lymph node invasion by cancer cells implementing minimally invaded sentinel lymph node models. In this work, we have shown the interest in monitoring the tumor hypoxia in onco-pharmacology and highlighted the high potential of photoacoustic imaging for oncology translational approaches. The main limitation is the relatively shallow depth of regions that we can explore, but this point is currently subject to many technological developments. Feasibility studies performed and validation of proof of concept protocols will enable routine exploitation of these new imaging modalities.

Les travaux de cette thèse présentent la synthèse par une polymérisation RAFT en miniémulsion de nanoparticules fluorescentes (NPFs) polymères à coeur BODIPY copolymérisé au styrène et à couronne hydrophile biocompatible et fonctionnalisable à base de poly(oxyde d'éthylène) et de poly(acide acrylique). Les propriétés de fluorescence de ces NPFs ont été étudiées par spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps. L'élaboration de la synthèse de ce type de NPFs, et la mise au point d'un procédé "one-pot" sont présentés dans un premier temps. Ensuite, les propriétés spectroscopiques de ces NPFs sont étudiées, notamment l'influence de la concentration en monomères de BODIPY au coeur des NPFs pouvant mener à la formation d'agrégats peu ou pas fluorescents. Les propriétés spectroscopiques (longueur d'onde d'émission de fluorescence et rendement quantique) du coeur des NPFs ont été modulées. Cela est rendu possible en réalisant la synthèse de monomères de BODIPY portant des groupements aromatiques encombrés, ou présentant différentes fonctions polymérisables. La couronne hydrophile des NPFs a également été modifiée afin d'obtenir différentes répartitions des unités acide acrylique et oxyde d'éthylène dans les chaînes de copolymères en surface. Ces nouvelles NPFs sont également synthétisées par un procédé "one-pot". Enfin, des molécules à fonctions amine (fluorophores, protéines) ont été introduites dans la couronne hydrophile de ces diverses NPFs par une chimie de couplage peptidique sur les fonctions acides carboxyliques. Des nano-senseurs de pH ratiométriques ont ainsi pu être élaborés. / This PhD work presents the synthesis of fluorescent nanoparticles (FNP) via a RAFT miniemulsion polymerisation and the analysis of their fluorescence properties. The core of the FNPs is a copolymer of styrene and a BODIPY monomer, and the shell, which is biocompatible and functionnalisable, is made of poly(ethylene oxyde) and poly(acrylic acid). First of all, the synthesis' optimisation of those FNPs is presented, and to the development of a one-pot process. Then, the fluorescence properties of those FNPs are studied, especially the impact of the BODIPY monomer concentration on the formation of non or weakly fluorescent aggregates. In order to change the FNP's spectroscopics properties (fluorescent quantum yield and emission wavelength), novel fluorescent BODIPY monomers have been synthesized. Those monomers presents either some bulky aromatics substituants, either variable polymerisable functions. The FNPS's hydrophilic shell has also been modified to get different distributions of the acrylic acid and ethylene oxyde units in the polymer chains of the FNPs' surface. Those new FNPs are also synthesized via a one-pot process. At last, molecules bearing an amine function (fluorescent dyes, proteins) have been grafted onto the differents FNPs' shell via a peptid coupling reaction on the carboxylic acid functions. As such, some pH ratiometric nano-sensors have been developped.

Ce travail porte sur la synthèse et l'étude photophysique des molécules fluorescentes, visant à construire de nouveaux capteurs chimiques pour la détection sélective des ions métalliques importants en biologie ou pour l’environnement. Une série de fluoroionophores contenant le motif triazole et différents fluorophores ont été utilisés pour étudier les fonctions du groupe triazole dans les senseurs chimiques. Nos études photophysiques de ces ligands complexants démontrent que le triazole pourrait contribuer dans le cadre de fluorophores conjugués, comme les sites de complexation de métal ou de linkers. Plusieurs senseurs chimiques sélectifs ont été successivement mis au point pour la détection du Cu2+ ou du Hg2+. En incorporant le fluorophore dansyle sur calix[4]bisazacrown, une nouvelle capteur chimique de potassium a été construit. Un sulfonate fluorescente calix [4] bisazacrown a été conçu et synthétisé pour la détection sélective et ratiométrique de l’aluminium dans une solution tampon de lutidine à pH 6,0 avec une sensibilité satisfaisante. Enfin, nous avon cherché à réaliser une modulation de la complexation de cation par la redistribution de charge photoinduite à l'état excité. Deux motifs de liaison sur la base de fullerène et de pyridinium bétaïne ont été conçus à cet effet. Les résultats préliminaires ont mis en évidence un effet de type PET dans les composés à base de fullerène et les composés à base de pyridinium betaine sont trés prometteur dans la translocation de cation. / This work deals with the synthesis and photophysical study of fluorescent molecules, aiming to construct new chemical sensors for the selective detection of environmentally or biologically important metal ions. A series of fluoroionophores consisting of triazole moiety and different fluorophores was utilized to investigate the functions of triazole group in chemosensors. Our comprehensively photophysical and complexing studies of these ligands demonstrated that triazole groups could contribute as part of conjugated fluorophores, as metal binding sites or linkers. Several selective chemosensors were successively developed for the detection of Cu2+ or Hg2+. By incorporating dansyl fluorophore into calix[4]bisazacrown, a new potassium chemosensor was constructed. A sulfonate fluorescent calix[4]bisazacrown was created for the selective and ratiometric detection of Al3+ in lutidine buffer solution at pH 6.0 with a satisfying sensitivity. Finally, we aim to realize modulation of cation binding through the photoinduced charge redistribution in the excited state. Two binding motifs based on fullerene and betaine pyridinium were designed for this purpose. Preliminary results demonstrated that PET in fullerene might be not suitable but pydinium betaine hold great potential in the cation translocations.

De par leur diversité et leur large gamme d’applications, les polymères se sont imposés dans notre environnement. Dans le cas d’applications techniques ces matériaux peuvent être exposés à des environnements agressifs conduisant à une altération de leurs propriétés. Les effets de cette dégradation sont reliés à la notion de durée de vie, c'est-à-dire au temps nécessaire pour qu’une propriété atteigne un seuil en dessous duquel le matériau devient inutilisable. Le suivi du vieillissement des matériaux polymères présente donc des enjeux importants. La spectroscopie de fluorescence est une technique qui permet d’apporter certaines réponses à ce problème. Dans le cadre de cette étude, l’accent a été porté sur l’utilisation de la spectroscopie de fluorescence pour l’étude des phénomènes intervenant lors de l’irradiation UV ou de la sollicitation mécanique d’un polymère. Dans le cas du polyéthylène haute densité, l’absence de signal fluorescent intrinsèque impose l’ajout d’un colorant. Ce colorant donnant une réponse en fluorescence dépendant de son microenvironnement, toutes modifications des chaînes du polymère engendrent un déplacement du pic de fluorescence de la sonde. Ce travail peut être séparé en deux grandes parties indépendantes, d’un coté l’influence du vieillissement UV sur la réponse fluorescente et de l’autre l’influence d’une sollicitation mécanique. Dans la première partie, l’utilisation de techniques complémentaires telles que l’IRTF ou l’AED a permis de corréler les différents résultats avec les mécanismes de vieillissement connus du polyéthylène. Les résultats obtenus dans cette partie montrent la grande sensibilité de la spectroscopie de fluorescence aux réarrangements microstructuraux intervenant dans le matériau. Dans la seconde partie, la dépendance entre la contrainte appliquée au matériau et la longueur d’onde de fluorescence a permis a partir de modèles simples d’évaluer les contraintes internes qui se développent au cours d’une sollicitation cyclique. / Due to their diversity and their wide range of applications, polymers have emerged in our environment. For technical applications, these materials can be exposed to aggressive environment leading to an alteration of their properties. The effects of this degradation are linked to the concept of life duration, corresponding to the time required for a property to reach a threshold below which the material becomes unusable. Monitoring the ageing of polymer materials constitute a major challenge. Fluorescence spectroscopy is a technique able to provide accurate information concerning this issue. In this study, emphasis was placed on the use of fluorescence spectroscopy to study the phenomena involved in either the UV radiation or mechanical stresses of a polymer. In the case of high density polyethylene, the lack of intrinsic fluorescent signal leads to the use of a dye. This dye gives a fluorescent response depending on its microenvironment. All modifications in the macromolecular chain generate a shift of the fluorescent peak. This work can be dissociated in two major parts, on one hand the influence of UV aging on the fluorescent response and in another hand the influence of mechanical stresses. In the first part, complementary analyses like FTIR or DSC are used to correlate fluorescent results with known photo degradation mechanisms. The results show the great sensibility of the technique to the microstructural rearrangement in the polymer. In the second part, the dependence between the stress and the fluorescence emission gives opportunity to evaluate internal stresses in the material during cyclic solicitations.

La métrologie non-intrusive est une composante essentielle de la recherche expérimentale en mécanique des fluides. La connaissance instantanée des champs de vitesse et de température apportent des informations essentielles à la compréhension des phénomènes instationnaires aérothermiques. Toutefois, si les mesures de vitesses sont aisément réalisées, l’obtention de champs de température s’avère plus complexe. L’une des voies étudiées pour y parvenir estla Fluorescence Plane Induite par LASER, ou PLIF. Son principe repose sur l’acquisition de signaux lumineux de fluorescence, dépendants de la température, consécutifs à l’excitation du milieu par un faisceau LASER intense. En particulier, la PLIF acétone à deux longueurs d’onde emploie l’acétone comme traceur fluorescent et deux LASER comme source d’excitation pour s’affranchir de la dépendance en concentration en acétone. Toutefois, selon la longueur d’onde,l’énergie LASER ou la gamme de température explorée, la PLIF-2λ peut s’avérer difficile à mettre en oeuvre du fait d’un manque de sensibilité, lié à un signal de fluorescence trop faible.Dès lors, plusieurs étapes correctives visant à améliorer le rapport signal-sur-bruit peuvent être mises en oeuvre. Le présent travail s’intéresse ainsi à déterminer la pertinence de cette méthode métrologique dans la qualification aérothermique d’un écoulement de convection mixte autour d’un cylindre chauffé, en couplant la PLIF-2λ à la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV). Le montage expérimental est détaillé, ainsi que les processus correctifs et l’étalonnage mis en place pour la PLIF. Les résultats expérimentaux sur le cylindre chauffé sont ensuite présentés et comparés aux travaux de la littérature, puis un modèle de la fluorescence et des caméras employées est élaboré pour permettre d’estimer la précision atteignable en pratique selon la longueur d’onde, l’énergie LASER, la concentration et les caméras, et ainsi rendre possible la présélection des équipements nécessaires aux travaux futurs. / Non-intrusive metrology is essential in experimental fluid mechanics experiments. In particular, simultaneous acquisition of instantaneous velocity and temperature fields offers valuable insights in instationnary aerothermal behaviours. However, if instantaneous velocity fields can be acquired quite easily using the Particles Image Velocimetry technic (PIV), instantaneous temperature fields are much more complex to obtain. Plannar Laser Induced Fluorescence (PLIF) is one of the technics allowing such a measurement. The emitted LASER light induces excitation of acetone molecules, the tracer in the studied air flow. Then, the fluorescence following de-excitation, which is temperature-dependant, is recorded. In particular, 2 λ-PLIF uses dual wavelength LASER excitation to remove acetone concentration dependency in the measurement. Yet, depending of the wavelengths, the LASER energy or the temperature range investigated, using 2 λ-PLIF can be difficult due to a very low temperature sensitivity and very dim fluorescence. To solve those issues and improve signal-to-noise ratio, acquired images can be corrected according to different parameters in an interative process. Present work is dedicated to evaluate efficiency of corrected 2 λ-PLIF applied to the study of a mixed convection flow around a heated cylinder in the 20-300 C temperature range. The goal is to obtain aerothermal qualification of the flow thanks to simultaneous 2 λ-PLIF and PIV. In the present work, experimental bench is detailled as well as the calibrating and correcting process of the 2 λ-PLIF. Then, experimental results are discussed and confronted to results from litterature. Finally, a model of the fluorescence and camera-generated noise is discussed and used to generate simulated fluroescence images and determine the impact of all parameters (wavelengths, LASER energy, acetone concentration and camera intensification gain) on the measurement precision and thus enable adequate choice of equipments for next experiments.

Les travaux réalisés durant ces années de doctorat ont été axés sur la conception de fluorophores pour diverses applications en fluorescence ou dispositifs de conversion d’énergie. Ainsi, plusieurs composés de la famille des Bodipys et triazatruxène ont été synthétisés, caractérisés et étudiés. En fonction des modifications structurales apportées à ces molécules, il est possible d’obtenir un panel de composés possédant une gamme d’absorption et d’émission pouvant s’étendre de 500 à 800 nm. La modulation de ses propriétés optiques a un intérêt dans un grand nombre d’applications. Ainsi, divers Bodipys ont été synthétisés en vue d’une éventuelle application pour le marquage biologique ou bien servant de support à l’étude du transfert d’énergie intramoléculaire. Le fort pouvoir absorbant de ces composés a été mis à contribution pour la réalisation de cellules solaires organiques originales et performantes. / The work undertaken during this PhD was focused on the design of fluorophores for several applications in fluorescence or energy conversion device. Several compounds from the Bodipy and Triazatruxene families were synthesized, characterized and studied. By structural modifications brought to these molecules, it was possible to obtain a panel of compounds those posses a range of absorption and emission properties which extend from 500 to 800 nm. The modulation of these optical properties has an interest in a large number of applications and field of research. Several Bodipys were synthesized for potential application in biological labeling and specific energy transfer processes. The strong absorption power and dedicated redox properties of these compounds was exploited for the preparation of solar

La nanomédecine est un secteur d’activité en plein essor depuis le développement des liposomes, nanovecteurs permettant d’encapsuler des molécules hydrosolubles ou amphiphiles pour la délivrance de médicament. Les nouveaux agents thérapeutiques synthétisés étant de plus en plus lipophiles, le développement de nouveaux vecteurs nanoparticulaires permettant leur transport constitue aujourd’hui un enjeu majeur. Les lipidots, nanoparticules lipidiques solides biocompatibles de 50 nm de diamètre, composées d’un mélange d’huile, de cire et de lécithine stabilisées par une couronne de surfactants pegylés, permettent de transporter des composés hautement hydrophobes en leur cœur. Des agents nucléaires pour la tomographie à émission monophotonique et des agents de fluorescence ont pu y être encapsulés pour l’évaluation de la biodistribution de ces nanoparticules chez la souris saine ainsi que dans différents modèles tumoraux. Un peptide de ciblage, le cRGD a également été greffé à la surface des lipidots afin d’adresser préférentiellement, dans les 3 premières heures après injection, les nanoparticules vers les tumeurs surexprimant les intégrines αvβ3. Une biodistribution particulière des lipidots dans les organes stéroïdiens (surrénales, ovaires) a été observée avec une localisation spécifique dans les zones synthétisant les hormones stéroïdiennes (le corps jaune pour les ovaires, la zone corticale pour les surrénales). Cette affinité unique a été mise à projet pour cibler des tumeurs hormono-dépendantes, ainsi que pour encapsuler des hormones ovariennes pour le traitement hormonal substitutif ou le contrôle de la procréation. / Nanomedicine is a fast growing field since the development of liposomes, nanovectors able to encapsulate in their core or phospholipid bilayer hydrophilic or amphiphilic molecules for drug delivery purposes. Nowadays, most of the new synthetized therapeutic compounds are hydrophobic, necessitating the development of new types of nanocargos. Lipidots, 50 nm diameter biocompatible solid lipid nanoparticles, composed of a mixture of oil, wax and lecithin stabilized by a shell of pegylated surfactants, are used to encapsulate highly hydrophobic compounds in their core for vectorization purpose. Nuclear agents for simple photon emission tomography, or near infrared fluorescent dyes, have been encapsulated in the lipidot core, to assess the biodistribution of these nanoparticles in healthy mice as well as in a large range of tumor models. A targeting peptide, the cRGD motif, was also grafted on the surface of lipidots to vectorize preferentially the nanoparticles to tumors overexpressing αvβ3 integrins. An unexpected lipidot biodistribution in steroid organs (adrenal, ovary) was observed, with a specific localization in areas of steroid hormones synthesis (corpus luteum in ovaries, cortex for adrenals). This unique lipidot affinity was used to target hormono-dependent cancer cells, as well as to encapsulate ovarian hormones, like estradiol or ethynil estradiol, for hormone substitution therapy or birth control.

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L’objectif de ces travaux de thèse repose sur la conception de nanoparticules pour l’upconversion (UCNPs) visant à réaliser de l’imagerie médicale par fluorescence. L’intérêt de ces nano-objets s’appuie sur l’excitation et l’émission conjointe dans le domaine du proche infrarouge, permettant de travailler dans la fenêtre thérapeutique des tissus. Une première partie présente l’élaboration des nanoparticules sphériques de NaYF 4 , dont le taux de dopage a permis de mettre en avant les conversions possibles grâce aux phénomènes optiques d’upconversion (IR → NIR, IR → visible et IR → UV). De plus, l’étude d’hydrophilisation, primordiale pour des applications médicales, a montré un fort intérêt pour l’enrobage par échange de ligands et plus particulièrement par des molécules dendritiques. Dès lors que les nano-objets ont été validés et stabilisés dans un milieu aqueux, ces derniers ont été testés in vitro et ont permis de montrer une cytotoxicité faible. La dernière partie a permis d’adapter l’équipement IVIS SPECTRUM® à nos conditions optimales d’utilisation des UCNPs. Cette installation a validé la preuve de concept de nos UCNPs in vivo, permettant ainsi d’être imagées chez le petit animal. Ce dispositif, encore unique en Europe ouvre ainsi la voie pour des études plus approfondies de l’utilisation des UCNPs pour la détection de tissus spécifiques, tels que les tissus tumoraux. / The aim of this PhD work deals with the design of upconverting nanoparticles (UCNPs) to perform medical imaging by fluorescence. The interest of these nano-objects is based on both excitation andemission in the near infrared range, allowing the work in the therapeutic window of tissue. The first part presents the development of spherical nanoparticles of NaYF 4 , which the doping concentration has highlighted the transitions permits through upconversion phenomena (IR → NIR, IR → visible and IR → UV). In addition, the hydrophilization part, necessary for medical application, has shown a strong interest in the coating by ligand exchange and particularly by dendritic molecules. Since the nanoparticles have been validated and stabilized in aqueous medium, they were tested in vitro and have shown low cytotoxicity. The last part was to adapt the IVIS SPECTRUM® equipment to our optimal conditions of use of UCNPs. This installation has validated the proof of concept of our UCNPs in vivo, which is to image in small animals. This device, also unique in Europe, opens the way for further use of UCNPs studies for the detection of specific tissues such as tumor tissues.