京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20973号 / 医博第4319号 / 新制||医||1026(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 溝脇 尚志, 教授 村井 俊哉, 教授 鈴木 実 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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

Ces travaux de thèse rentrent dans le cadre de l’étude de la dynamique ultra rapide de l’aimantation. Tout d’abord sont présentés des aspects théoriques, puis les aspects expérimentaux de ces expériences. Pour ce faire, nous avons étudié la réponse d’alliages ferrimagnétiques à composition variables à l’aide d’un dispositif de mesure d’effet Kerr résolu en temps, puis dans une seconde partie, la dynamique de l’aimantation et de la bande de valence du gadolinium épitaxié sur tungstène. Dans ce cadre rentre une étude de l’oxydation de ce matériau, limitant dans le temps les études approfondies. Pour finir, il est mis l’accent sur un phénomène contraignant lors des études de dynamique électronique en photoémission, l’effet de charge-espace. Ceci a pour effet de générer des photoélectrons à partir de métaux, à l’aide d’un processus multiphotonique. Nous proposons dans cette partie un modèle théorique expliquant ce phénomène.Ces travaux sont inscrits dans le cadre du développement du synchrotron SOLEIL, pour permettre le développement du FEMTOSLICING, qui permettra prochainement de mesurer des dynamiques rapides résolues en éléments, à une résolution de l’ordre de la centaine de femtosecondes. / Those thesis works are included in the framework of the study of ultrafast magnetization dynamics. First of all I introduce theoretical aspects, then experimental aspects of this kind of experiments.In this aim, we have studied the answer of ferromagnetic alloys of different compositions with a bench of time resolved magneto optical Kerr effect measurement, then in a second part, the magnetization and valence band dynamics of the epitaxial Gadolinium on tungsten. In this framework, we studied the oxidization of the Gd, which limits in the time the studies. In the end, we focus on a disturbing process that happens during the study of electrons dynamics in photoemission, the space charge effect. This can generate photoelectrons from metals, with a multiphotonic process. We propose in this last part a theoretical model to explain this phenomenon.These works are included in the development of SOLEIL synchrotron facility, in order to allow the development of the FEMTOSLICING, that will next allow to perform element resolved experiments within a time resolution of a hundredth of femtoseconds.

L'objectif de ce travail est l'analyse de la stabilité thermodynamique et de l'inertie chimique de complexes métalliques avec des ligands ou des nanoparticules conçus pour des applications en IRM. Deux types de ligands polyaminocarboxylates ont été étudiés, ligands pour lesquels les unités complexantes sont soit linéaires soit macrocycliques.Les ligands macrocycliques étudiés sont des ligands basés sur des squelettes DO3A, substitués par des entités benzimidazole (L1H4) ou p-nitrophenylbenzimidazole (L2H3). Les données thermodynamiques indiquent que les affinités de ces ligands vis-à-vis des ions de la première série de transition (Cu(II) et Zn(II)) ou vis-à-vis des lanthanides (Gd(III) et Eu(III)) sont plus élevées que celles des complexes correspondants avec le ligand DO3A. Ce renforcement d'affinité est corrélé avec la participation des groupements benzimidazole à la sphère de coordination de chacun des métaux. L'inertie chimique du complexe Gd(III)- L1H4 a ensuite été évaluée par relaxométrie en tampon phosphate, en présence d'une quantité équimolaire de Zn(II). Dans cette expérience, le Zn(II) joue le rôle d'un compétiteur du Gd(III) c'est-à-dire qu'il peut si le complexe Gd(III)-L1H4 n'est pas inerte chimiquement, induire une libération de l'ion gadolinium. Pour Gd(III)-L1H4, aucune réaction de ce type n'a été détectée, ce qui plaide en faveur de l'inertie chimique de ce complexe.Les ligands linéaires étudiés sont des dérivés dithiolés de ligands DTPA bisamide L@1H5. Ces ligands ont été conçus pour être greffés sur des nanoparticules d'or. La stabilité thermodynamique des complexes de Cu(II), Zn(II) et Gd(III) utilisant les ligands L@1H5 et L@1H5 greffé sur nanoparticule d'or (autrement appelé L@2H3) suit l'ordre de stabilité croissant Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Par ailleurs, les résultats montrent que le complexe Gd(III)-L@1H5 est moins stable d'au moins deux ordres de grandeur que le complexe Gd(III)-L@2H3. Ceci suggère qu'une fois greffé sur la nanoparticule, le complexe de gadolinium correspondant gagne en stabilité. Par ailleurs, des études comparatives d'inertie chimique montre que le complexe Gd(III)-L@1H5 greffé sur la nanoparticule a une inertie chimique comparable à celle de l'agent de contraste commercial Gd-DTPA. En revanche lorsque ce complexe est seul, sa vitesse de démétallation est rapide. Le greffage du ligand L@1H5 à la surface de la nanoparticule est donc au bénéfice de la stabilité et de l'inertie chimique de son complexe de Gd(III). Ce gain de stabilité peut être attribué à l''effet de ballast' de la nanoparticule qui rigidifie la structure du complexe et limite sa démétallation. / The aim of this work is to analyse the stability of metal complexes with ligands or nanoparticles of interest in MRI and to study their transmetallation mechanisms in the presence of endogenous cations near physiological pH. Two types of polyaminocarboxylate ligands were studied for which the binding unit was either linear or macrocyclic.Macrocyclic ligands are constituted of a DO3A backbone functionalized with a benzimidazole (L1H4) or a p-nitrophenylbenzimidazole unit (L2H3). Thermodynamic data indicated that the affinities of these ligands towards first row transition metal ions (Cu(II) and Zn(II) or lanthanide ions (Gd(III) and Eu(III)) are increased compared to the corresponding ones with DO3A. This enhancement is correlated to the involvement of the benzimidazole moiety to each metal coordination sphere. For gadolinium complex Gd(III)- L1H4, its kinetic inertness was evaluated in phosphate buffer by relaxometry, in the presence of equimolar quantities of Zn(II) as a competitor. In these conditions, if the complex is not chemically inert, it would be subjected to a transmetallation reaction, that is to say that at least, gadolinium would be released. For Gd(III)-L1H4, no such reaction was detected which is in favour of kinetic inertness of Gd(III)- L1H4.Linear ligand, dithiolated DTPA bisamide L@1H5 was designed with an aim of grafting it onto gold nanoparticles. L@1H5 and the ligand grafted into gold nanoparticle,namely L@2H3, were analysed for their thermodynamic stability towards mainly Cu(II), Zn(II) and Gd(III). Whatever the system, L@1H5 or L@2H3, the general trend of increasing complex stability was Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Furthermore, Gd(III)-L@1H5 complex was less stable than Gd(III)-L@2H3, this latter being 2 orders of magnitude more stable at physiological pH. This suggested that the gadolinium complex stability is enhanced when the ligand is grafted onto the nanoparticle. Moreover, comparative kinetic inertness studies showed that the gadolinium complex Gd(III)-L@1H5 is not chemically inert and demetallates rapidly while the gadolinium complex grafted onto the nanoparticle exhibit almost equal kinetic inertness as Gd-DTPA (Magnevist). The bulky nanoparticle probably rigidifies the structure of the complex and prevents Gd(III)-L@2H3 from an extensive demetallation, which was a good point for the possible use of these nanoparticles in living organisms for imaging applications.

Le cancer est l'une des principales causes de décès dans le monde, trouver des traitements plus efficaces est donc d’un intérêt majeur. La radiothérapie conventionnelle utilisant des rayons X peut détruire des tumeurs, mais provoque des effets secondaires nocifs pour les tissus sains environnants. L'hadronthérapie est un outil utilisant des ions pour irradier la tumeur et qui s’avère très efficace pour le traitement du cancer. Les propriétés physiques particulières des ions permettent de mieux cibler et donc d’irradier un volume bien défini comme la tumeur. Afin de renforcer le ciblage et l'efficacité des traitements, une amplification de la mort cellulaire spécifiquement dans la tumeur est nécessaire. Pour améliorer les traitements, nous proposons une stratégie innovante qui combine des nano-médicaments et l'irradiation par des ions rapides.Nous avons déjà montré que les sels de platine renforcent fortement l’endommagement à l'ADN induit par les différentes irradiations (telles que les rayons X et les ions rapides) et accélèrent la mort des cellules. Cet effet est attribué à l'ionisation des électrons du platine en couche interne par les électrons produits le long de la trace, suivi par la désexcitation Auger du métal. Ces électrons Auger peuvent induire des dommages de façon directe ou par effet indirect via les radicaux produits dans l’eau. Le défi est de déposer ces sensibilisateurs dans la tumeur. Les développements récents en matière de nanotechnologie apportent de nouvelles perspectives par l’utilisation de nanoparticules, qui peuvent être fonctionnalisées afin de cibler des tissus spécifiques.Notre étude montre que l'irradiation avec des ions carbone provenant du HIMAC (centre médical Japonais, leader en hadronthérapie) en présence de ces nanoparticules induit une augmentation significative des dommages à l'ADN. En particulier, notre travail permet de comprendre que cette combinaison induit des dommages plus complexes que lorsque les sels de platine sont utilisés. Cet effet est expliqué par l'auto-amplification des cascades d'électrons Auger à l'intérieur des nanoparticules. Des radicaux de l'eau sont produits à l'échelle de l’ADN et conduisent à son endommagement. Cette amplification des dommages a été observée dans les cellules vivantes en présence de nanoparticules bien qu’elles se trouvent exclusivement dans le cytoplasme. L’amplification des dommages décrite pour l’ADN peut avoir lieu dans n'importe quelle molécule contenue dans le cytoplasme ce qui peut mener à la destruction d’organites.Ce travail à l'interface de la physique, de la chimie et de la biologie présente un fort intérêt pour l'élaboration de protocoles médicaux tels que l'hadronthérapie et la nanomédecine, ceci afin d’améliorer l'efficacité et la précision des traitements. / Cancer is one of the major causes of death in the world, finding more effective treatments is therefore of major interest. Conventional radiotherapy using X-rays can destroy tumors but causes harmful side effects to surrounding healthy tissues. The hadrontherapy is a powerful tool for cancer treatment which uses ions to irradiate the tumor. The particular physical properties of ions allow better targeting, and therefore, an irradiation of the well-defined volume of the tumor. In order to further enhance the targeting and the efficiency of the treatments, an amplification of the cell death rate specifically in the tumor is of strong interest. To improve treatments, we propose an innovative strategy that combines nano-drugs and irradiation by fast ions.We already showed that platinum salts enhance strongly DNA damage induced by different radiations (such as X-rays and fast ions) and accelerate cell death. This effect is attributed to the ionization of inner shell electrons of platinum by the electrons produced along the track, followed by Auger de-excitation of the metal. These Auger electrons can induce damage by direct or indirect effect (water radicals mediated). The challenge is to locate these sensitizers in the tumor. Recent developments in nanotechnology pointed out new perspectives by using nanoparticles, which can be functionalized to target specific tissues.Our study shows that irradiation with carbon ions from HIMAC (Japanese medical center, leader in hadrontherapy) in presence of these nanoparticles induces a significant increase of DNA damage. In particular, our work helps to understand that this combination induces more complex lethal damage compared to platinum salts. This effect is explained by the auto-amplification of Auger electron cascades inside the nanoparticles. Numerous water radicals are produced at DNA scale leading to its damage. Same observation of damage amplification has been made in living cells loaded with nanoparticles while they stay exclusively in the cytoplasm. The amplification of damage described on DNA can occur in a cytoplasm included molecule and may induce organelle destruction.This work at the interface of physics, chemistry and biology finds strong interest for developing medical protocols such as hadrontherapy and nanomedicine improving effectiveness and accuracy of treatment.

The experimental cancer therapeutic agent gadolinium texaphyrin (MGd) is a cationic paramagnetic expanded porphyrin currently being tested as an X-Ray sensitizing (XRS) agent, and is a compound with demonstrated tumor localization. Additionally MGd shows promise as a chemotherapeutic agent, both as a stand-alone agent, and showing activity in vitro with ascorbate via a novel ROS generating mechanism.3 This dissertation reports the synthesis, characterization, and cell studies of novel MGdfluorophore, and platinum therapeutic conjugates. Also discussed are cationic Pt agents having cytotoxic activity. In this research we set out to answer three questions: i) can fluorescent conjugates of MGd be synthesized, with observable subcellular localization, different from that of MGd, ii) can MGd-Pt conjugates with observable Pt release be synthesized?, and iii) can Pt compounds containing a cationic moiety be tuned to have efficacy comparable to traditional Pt therapeutic agents? Two MGd-xanthene fluorophore conjugates were synthesized with the goal of using them to probe sub-cellular distribution. The anionic (FITC), and cationic (Rhodamine), fluorophore conjugates demonstrated nuclear and mitochondrial localization, respectively. In an ongoing project designed to reduce non-specific agent toxicity, a platinumreleasing MGd therapeutic conjugate was synthesized. The MGd-amidopropylmalonato-Pt conjugate demonstrated efficacy equivalent to carboplatin, a classical “non-selective” agent as inferred from in-vitro studies with A549 lung cancer cells. Aqueous stability studies of this conjugate gave results in agreement with hydrolytic loss of Pt, reversible with added Pt-diaquo. Finally, Pt complexes of amino-1-benzylpyridinium salts were synthesized and found to demonstrate significant cytotoxicity in screening studies. This latter positive development led to the suggestion that complexes of this type could consititute a new class of lipophilic-quaternary-cation Pt therapeutic agents. It is hoped that this series of putative Pt anti-cancer agents will prove useful as both stand-alone therapeutic agents and as the basis for producing conjugate with biolocalizing properties. / text

Licentiatavhandling (sammanfattning) Linköping : Linköpings universitet, 2009. / Härtill 2 uppsatser.

L'objectif poursuivi au cours de ce travail est l'élaboration de nanoparticules biocompatibles à visée diagnostique (IRM) et thérapeutique (PDT). Dans ce but, un protocole de nanoprécipitation a été optimisé pour obtenir de façon quantitative et reproductible, des nanoparticules de PLGA de diamètre compatible avec une injection par voie parentérale. Cette formulation a été employée avec succès pour l'encapsulation d'un chélate lipophile de Gd(III), pour l'encapsulation d'un photosensibilisateur (m-THPC) et pour la co-encapsulation de ces deux substances actives. Les formulations optimales permettent d'obtenir des efficacités d'encapsulation de 7 et 46 % en chélate de gadolinium et m-THPC respectivement. La cytotoxicité et la photocytotoxicité des GdDO3AC12-mTHPC@PLGA ont été testées sur deux lignées cellulaires (C6 et fibroblastes) et les résultats obtenus montrent que les propriétés photocytotoxiques du m-THPC sont maintenues après l'encapsulation. L'efficacité IRM de ces nanoparticules a aussi été évaluée et les mesures NMRD et IRM à 3T montrent que l'encapsulation des chélates de gadolinium améliore leur capacité à générer un contraste en mode T1 et donc la qualité des images. / This work aimed at the synthesis of biocompatible nanoparticles for PDT and MRI applications. To reach this goal, a nanoprecipitation technique was optimized using only biocompatible starting materials. This technique allowed the preparation, in a reproducible and quantitative manner of PLGA nanoparticles, compatible with parenteral injections. This formulation was successfully applied to encapsulate a lipophilic Gd(III) chelate, a photosensitizer (m-THPC) and to co-encapsulate these two substances. Optimal formulations showed encapsulation yields of 7 and 46 % for the gadolinium chelate and m-THPC, respectively. Cytotoxicity and photocytotoxicity experiments performed for two different cell lines (C6 cells and fibroblasts) incubated with GdDO3AC12-mTHPC@PLGA nanoparticles showed that m-THPC photocytotoxicity was maintained after its encapsulation. MRI efficacy of GdDO3AC12-mTHPC@PLGA nanoparticles was also evaluated by NMRD measurements and 3T MRI images. The corresponding results indicated that gadolinium chelate encapsulation improved its tendency to generate an efficient T1 contrast and consequently, enhanced the image contrast.

Les interventions chirurgicales avec prothèses pour défauts de soutènement ont déjà nécessité l'implantation de plus d'un million de prothèses dans le monde. L'indication des prothèses de soutènement synthétiques non résorbables a permis de diminuer les récidives à court terme mais présente une incidence non négligeable de complications postopératoires. Le taux de réinterventions reste encore trop élevé. Cette thèse a pour objectif d'apporter de nouvelles propriétés à ces prothèses de polypropylène, pour à la fois améliorer leur résistance à l'infection et permettre leur visualisation en IRM clinique. Des treillis libérant des antibiotiques de façon contrôlée sont développés par enduction de polymère dégradable et biocompatible contenant des antibiotiques. Cette enduction présente une activité antibactérienne in vivo significative. Une autre enduction de polymères dégradables ou non dégradables, par une technique de pulvérisation par aérographie, permet une visualisation en IRM des treillis in vitro et après implantation. La stabilité du polymère greffé avec l'agent de contraste autorise une visualisation des treillis pendant au moins douze mois. / Surgical procedures with synthetic meshes have yet allowed more than one million operations. Non absorbable synthetic mesh used has permitted to decrease clinical recurrence at short term, but post operative complications still exist. Re operation rate is still too high. This study aims to develop new properties for those polypropylene meshes, such as infection resistance and MRI visualization. Meshes with controlled release of antibiotics were obtained after polymer coating and showed a significant in vivo antibacterial effect. Another mesh coating, with an aerograph procedure, has allowed MRI mesh visualization. To visualize by MRI, meshes after implantation, two new MRI visible polymer (degradable and non degradable) were coated onto meshes using an airbrush system. This coating allows the visualization of meshes in vitro and in vivo with experimental and clinical MR equipments. The stability of the MRI visible polymers permits to in vitro to visualize meshes during at least one year.

L’arrivée des nanobiotechnologies en cancérologie apporte un nouveau souffle dans le traitement des cancers. Les travaux réalisés par Olivier Tillement et ses collaborateurs ont permis de montrer que les nanoparticules de gadolinium (GdBN) sont capables d’augmenter d’une part la qualité d’imagerie par résonance magnétique (IRM) mais également d’augmenter les effets des rayonnements ionisants (IR) sur les tumeurs. Des études précliniques sur des tumeurs de glioblastome greffées sur des souris C57BL/6 ont permis de révéler la capacité de la combinaison GdBN+IR à favoriser une régression tumorale. Néanmoins, les processus de morts cellulaires impliqués sont partiellement connus. Nos résultats ont permis de démontrer que ce traitement produit un stress oxydatif généré par une NADPH oxydase. Ce stress oxydatif déclenche un arrêt de la prolifération des cellules qui dépend de la protéine p21 et qui déclenche un processus de sénescence cellulaire et le cannibalisme des cellules irradiées. Le cannibalisme cellulaire ainsi déclenché aboutit à l’élimination de cellules internalisées. Ainsi, l’ensemble de ces résultats nous a permis de révéler que la combinaison des GdBN et de l’irradiation contribue à l’élimination de cellules cancéreuses en déclenchant la sénescence des cellules irradiées ainsi qu’un mécanisme original de mort cellulaire, le cannibalisme cellulaire. / The nanotechnology aims to help in the cancer treatment. Olivier Tillement and his colleagues have demonstrated that the Gadolinium-Based Nanoparticle (GdBN) can improve Magnetic Resonance Imaging (MRI) and increase radiotherapy effects. Pre-clinical studies show that the combination of GdBN with ionizing radiation is associated with tumor regression. However, the molecular and cellular processes involved this biological effect remain to be elucidated. Our results show that the combination of GdBN with IR generates oxidative stress through NADPH oxidase-dependent mechanisms, leads to cellular senescence and induces the cannibalistic activity of irradiated cells. Altogether, these results reveal that the combination of GdBN with IR promotes the killing of irradiated cells through the induction of cellular senescence and cellular cannibalism.