La Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) est un variant spectral de la Green Fluorescent Protein extraite de la méduse Aequaria Victoria (GFPav). La ECFP, émettant dans le cyan, est un des donneurs les plus utilisés dans les études de transfert résonnant d’énergie d’excitation et est integré dans de nombreuses constructions de biosenseurs. Pourtant, elle souffre de nombreux inconvenients. Notamment elle pésente des propriétés photophysiques complexes et une forte sensibilité environnementale qui sont des freins à une interprétation quantitative de ses signaux de fluorescence en imagerie cellulaire. Notre objectif vise à mettre au point, grâce à l’introduction d’un minimum de mutations, un dérivé de la ECFP présentant des propriétés d’émission simplifiées et performantes ainsi qu’une faible sensibilité environementale. Des mutations ont été introduites, par mutagenèse dirigée, à deux positions clefs de la séquence peptidique de la ECFP ce qui a permis de générer des dérivés présentant des propriétés photophysiques et une sensibilité au pH modulées. En particulier, nous avons réussit à générer une protéine fluorescente, l’Aquamarine, aux propriétés photophysiques quasi-idéales caractérisée par un rendement quantique de l’ordre de 0,9 et des déclins d'émission de fluorescence quasi-monexponentiels. Elle présente également une sensibilité au pH fortement réduite avec un pH de demi-transition acide de 3,3.Ce manuscrit présente l’étude détaillée des propriétés d’émission de fluorescence des diverses protéines générées. Plusieurs paramètres présentant un intérêt particulièrement important pour une utilisation adéquate en imagerie de fluorescence ont été évalués. Outre la sensibilité au pH établie sur une large gamme de pH (2,5-11), une attention particulière a été portée sur les performances photophysiques (monoexponentialité du déclin d'émission de fluorescence, durée de vie moyenne, rendement quantique, brillance,…) de ces dérivés. De plus, grâce à des expériences de dichroïsme circulaire, des informations sur les changements structuraux, dont ces dérivés sont le siège à pH très acide, ont été obtenues. Enfin, l’examen détaillé des données spectroscopiques stationnaires et résolues en temps a permis de mettre en lumière l’existence de plusieurs espèces émissives contribuant à la photophysique de ces protéines et à l’origine de leur transition acide. L’ensemble de ces résultats constitue une première approche pour une meilleure compréhension de la relation structure-photophysique-dynamique de la ECFP et de ces dérivés. / The Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) is a variant of Green Fluorescent Protein extracted from the jellyfish Aequaria Victoria (GFPav). The ECFP, emitting in the cyan, is one of the most donors used in studies of resonant transfer excitation energy and is integrated in many constructions of biosensors. However, it suffers from several drawbacks. In particular, it presents a complex photophysical properties and high environmental sensitivity that are obstacles to its quantitative interpretation of fluorescence signals in cellular imaging. Our goal is to develop, through the introduction of minimum mutations, a derivative of the ECFP with simplified emission properties and low environmental sensitivity.Mutations were introduced by site-directed mutagenesis, into two positions in the peptide sequence of ECFP which helped to generate derivatives with modulated photophysical properties and low pH sensitivity. In particular, we have managed to generate a fluorescent protein, Aquamarine, with almost ideal photophysical properties characterized by a quantum yield of about 0.9 and pure single exponential fluorescence decay. It also has a greatly reduced sensitivity to the pH with half transition point near 3.3.This manuscript presents a detailed study of fluorescence properties of various proteins generated. Several parameters for proper use in fluorescence imaging were evaluated. In addition to the pH sensitivity based on a wide range of pH (2.5 to 11), particular attention was paid to the photophysical performance (simpler fluorescence emission decay, average lifetime, quantum yield, brightness, ...) of these derivatives. In addition, we studied structural changes on these derivatives at acidic pH by circular dichroism. Finally, a detailed examination of the steady state fluorescence and time-resolved fluorescence helped to highlight the existence of several emissive species contributing to the photophysics of these proteins and the origin of their acid transition. These results constitute a first approach to a better understanding of the structure-photophysical dynamics of ECFP-and these derivatives

La biopsie du ganglion sentinelle (GS) est actuellement la technique de référence pour le diagnostic des métastases ganglionnaires du cancer du sein. Cependant, les traceurs utilisés pour la cartographie du GS (colorant bleu et radiocolloïde) ne sont pas idéaux et peuvent occasionner des réactions allergiques et engendrer des coûts importants. Une alternative à l'utilisation de ces traceurs repose sur le repérage du GS par imagerie de fluorescence proche infrarouge à l'aide de nanoparticules. Deux types de nanoparticules ont été étudiés : les Quantum Dots (QDs) à base d'indium et les nanoparticules de silice (NPSi) renfermant de la cyanine 7. Dans un modèle murin de carcinome mammaire, tous les GS envahis par les métastases ont pu être visualisés grâce à la fluorescence des QDs-indium. L'étude de biodistribution a mis en évidence une capture majeure des QDs au point d'injection et dans les ganglions associée à une faible concentration dans le foie et la rate. La toxicité des QDs a été évaluée in vitro et a démontré une toxicité fortement réduite des QDs-indium par rapport aux QDs-cadmium. Les NPSi présentent les avantages suivants : biocompatibilité, amélioration de la rétention dans le ganglion et des propriétés photophysiques par rapport au fluorophore libre. Le GS est rapidement visualisable par fluorescence suite à l'injection de NPSi. Le suivi des souris, pendant 3 mois post-injection, n'a révélé aucun signe de toxicité générale ou hépatique. Ces deux types de nanoparticules fluorescentes sont particulièrement bien adaptés à la cartographie du GS et pourraient avantageusement remplacer les traceurs employés actuellement / Sentinel lymph node (SLN) biopsy is a reliable technique for the diagnosis of metastases in breast cancer. However, the tracers used (blue dye and radiocolloid) are not optimal because they can cause allergic reactions and major costs in waste processing. Our strategy was to use near-infrared emitting nanoparticles for the mapping of SLN: indium-based Quantum Dots (QDs) and cyanine 7 embedded in silica nanoparticles (SiNP). In a murine model of mammary carcinoma, all SLN containing lymphatic metastases could be visualized with fluorescent indium-based QDs. The biodistribution study concluded that the major organs of retention were the injection point and lymph nodes whereas liver and spleen accumulated fewer QDs. The cytotoxicity tests demonstrated a weak in vitro toxicity of indium- compared to cadmium-based QDs. SiNP show several advantages over free fluorophore such as biocompatibility, better retention in the SLN and greatest photophysical properties. SLN could be mapped as soon as 5 minutes after SiNP injection. The in vivo toxicity in mice was followed during 3 months after injection and did not reveal any signs of general or hepatic toxicity. Both fluorescent nanoparticles are thus well adapted for the mapping of the SLN and could be a favourable substitute to the actually tracers

Cette étude a consisté au développement et à l’utilisation de fonctions chimiques clivables en milieux biologiques. Dans le domaine de la protéomique chimique, ce travail a abouti à la conception d’une sonde d’enrichissement clivable en conditions non-dénaturantes. Appliquée à l’étude de topoisomérases, cette sonde a permis l’extraction et l’analyse de complexes fonctionnels A2B2 de gyrase. Dans un second temps, un nouveau concept de quencheur chimiquement désactivable a étéintroduit. Incorporé dans une sonde pro-fluorescente de type FRET, ce type de quencheur permet notamment de visualiser la présence de sondes non-activées dans des cellules. Enfin, une méthode a été développée pour permettre l’évaluation de la labilité d’une liaison chimique en milieux biologiques natifs. Basée sur l’utilisation de sondes pro-fluorescentes, cette méthodologie a plus particulièrement été appliquée à l’étude de la bio-labilité de groupements acido-labiles. / The general main topic of this work was the use and the development of cleavable linkers in biological systems. This study led to the design of a cleavable enrichment probe in non-denaturing conditions for chemical proteomic applications. In a topoisomerase analysis, this probe allowed the extraction and analysis of a functional DNA gyrase A2B2 complex. For fluorescence imaging, a new concept of chemically deactivatable quencher was introduced. This quencher was used to revealinactivated FRET-based probe in cell experiments. Finally, a methodology based on biolability measurements of acid-sensitive molecules was developed for the evaluation of chemical bond lability in native biological environments. This work was focused on biolability measurements of acidsensitive molecules.

Actuellement, la chirurgie représente la première indication pour la thérapie du cancer. Néanmoins, la résection complète du tissu tumoral, la détection des micrométastases et la préservation des tissus sains pendant l'intervention représentent un enjeu majeur et influencent fortement le pronostic du patient. Les récents développements technologiques en imagerie pour la chirurgie guidée des cancers ont conduit à des résultats précliniques prometteurs et les premiers essais cliniques utilisant des traceurs non-spécifiques confirment déjà le potentiel de ces systèmes pour l'amélioration de la chirurgie. De plus, le diagnostic précoce des tumeurs, ainsi que le développement de thérapies ciblées sont également des axes majeurs de recherche en cancérologie. Dans ce contexte notre équipe a précédemment développé un vecteur synthétique ciblant un récepteur cellulaire l'intégrine αVβ3. Ce vecteur est constitué d'un châssis décapeptidique cyclique RAFT (Regioselectively Addressable Functionalized Template) et présentant deux domaines indépendants permettant de séparer les deux fonctions du vecteur. Sur un domaine, la fonction de ciblage est assurée par la présentation multivalente de ligands -RGD- spécifiques du récepteur. L'autre domaine du vecteur porte les molécules d'intérêt à vectoriser, agents thérapeutiques ou de détection pour l'imagerie médicale. Dans la première partie de ces travaux, nous avons évalué la combinaison de ce vecteur couplé à un fluorophore avec une sonde portative pour imager et guider le chirurgien pendant la chirurgie des fibrosarcomes spontanés chez le chat. Cette étude représente une preuve de concept pour la translation clinique chez l'homme. Les résultats ont montré que l'injection du traceur ne provoquait pas d'effets toxiques chez le chat et permettait un marquage spécifique de la tumeur avec un bon ratio tumeur/tissu sain, qui devrait améliorer la qualité de la résection tumorale en aidant le chirurgien à mieux délimiter les marges du tissu tumoral. Dans la seconde partie de ces travaux nous avons développé un nouveau vecteur bi-fonctionnel dérivé du RAFT-RGD. Au composé d'origine a été ajoutée une séquence peptidique clivable par la matrixmetalloprotease-9, une enzyme surexprimée dans la tumorigénèse. Cette molécule à fluorescence activable a montré une amélioration du ciblage tumoral in vitro et in vivo comparée au RAFT-RGD suggérant un effet additionnel lié au double ciblage. Ces résultats préliminaires encouragent la poursuite de sa caractérisation pour son potentiel de « pro-drug » mais également pour l'étude des interactions entre l'intégrine et l'environment tumoraux. / Cancer surgery is still the gold standard therapy in most cancers. Nevertheless, total tumor resection and metastasis detection while preserving healthy tissues represent a crucial point for further prognosis. Development of imaging technologies for intra-operative guided surgery provided promising results and efficient application in preclinical studies and first clinical trials using non-specific tracers already confirmed the improved out-come in surgery. Moreover early and precise diagnosis and targeted therapies are major domains of cancer research. In this context our team previously developed a synthetic vector based on a cyclic decapeptide scaffold RAFT (Regioselectively Addressable Functionalized Template) which allows the independent functionalizing of two domains: a targeting domain with multivalent RGD-ligand targeting the cell receptor integrin αVβ3, and a vehicle domain grafted with a pro-drug or an imaging agent. One part of this work consisted in the evaluation of the combination of this molecule carrying a fluorophore with a portable fluorescent imaging device for image-guided surgery of natural occurring feline fibrosarcomas. This study represents a proof of concept for further translation into human clinics. No toxic effects in cats after administration of the tracer could be reported. Furthermore the tumors were specifically labeled showing a good tumor-to-healthy tissue ratio. This should improve tumor resection by helping the surgeon to delineate tumor margins. In parallel we developed a bi-functinal derivative of the RAFT-RGD. Therefore we engrafted a peptide sequence flanked by two fluorophores, which is activatable by matrixmetalloprotease-9, an enzyme overexpressed in tumors. This molecule showed an improved tumor labeling in vitro and in vivo compared to the conventional RAFT-RGD, suggesting an additional effect of the double targeting. These preliminary results encourage further caracterisation for its potential as pro-drug vehicle, as well as for studying interactions between the integrin and the tumor environment.

Introduction : La thérapie ciblée des cancers des VADS nécessite la mise au point de nouveaux vecteurs spécifiques. Ces vecteurs servent à acheminer des substances thérapeutiques, mais aussi ils peuvent être couplés à des fluorophores afin de les utiliser dans la chirurgie guidée par l'imagerie de fluorescence proche infrarouge.Objectifs : L'objectif de notre travail est de tester de nouveaux vecteurs des cancers des VADS et d'étudier l'apport de l'imagerie de fluorescence proche infrarouge dans la chirurgie des cancers des VADS chez un modèle animal orthotopique que nous mettons au point.Matériel et méthodes : La lignée cellulaire des cancers des VADS CAL33 est caractérisée in vitro et in vivo. De nouveaux vecteurs qui ciblent un ou plusieurs récepteurs des cellules CAL33 comme l'intégrine alpha v beta 3, l'EGFR et la NRP1, sont testés in vitro. Parallèlement, un modèle animal orthotopique des cancers des VADS est développé par implantation de fragments tumoraux des cellules CAL33, au niveau de la cavité buccale de la souris nude. La résection des tumeurs orthotopiques est guidée par l'imagerie de fluorescence proche infrarouge, après injection systémique du peptide RAFT-c[RGD]4 couplé à un fluorophore. Ce peptide cible l'intégrine alpha v beta 3 et est préalablement testé in vivo sur les cellules CAL33.Résultats : Nos résultats préliminaires montrent que certaines molécules bispécifiques présentent une liaison accrue in vitro aux cellules CAL33. Par ailleurs, la chirurgie guidée par l'imagerie de fluorescence proche infrarouge ciblant l'intégrine alpha v beta 3, présente un impact positif sur la survie sans rechute dans notre modèle orthotopique, à travers la détection de reliquats tumoraux qui pourraient passer inaperçus si l'exérèse tumorale avait été réalisée exclusivement d'une façon macroscopique. Elle permet aussi de détecter les adénopathies métastatiques.Conclusion : L'imagerie de fluorescence proche infrarouge améliore la qualité de l'exérèse tumorale dans notre modèle orthotopqiue optimisé des cancers des VADS. Cette étape préclinique est indispensable avant de tester cette technique chez l'être humain. / Introduction: Targeted therapy of head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) requires the development of novel specific vectors that can deliver therapeutic molecules. These vectors could also be coupled to fluorophores to be used in near infrared fluorescence imaging-guided surgery.Objectives: The aim of our work is to test new targeted vectors of HNSCC and to study the role of the near infrared fluorescence imaging-guided surgery in HNSCC resection in a novel orthotopic animal model that we develop.Materials and Methods: The HNSCC cell line CAL33 is characterized in vitro and in vivo. Novel vectors that target one or more receptors of this cell line such as alpha v beta 3 integrin, EGFR and NRP1, are tested in vitro. Meanwhile, an orthotopic animal model of HNSCC is developed by implanting tumor fragments of CAL33 cells, in the oral cavity of nude mice. Surgical resection of orthotopic tumors is guided by the near infrared fluorescence imaging after systemic injection of RAFT-c[RGD]4 peptide coupled with a fluorophore. This peptide targets alpha v beta 3 integrin and is previously tested in vitro.Results: Our preliminary results show that bispecific vectors would present an increased binding to CAL33 cells in vitro. On the other hand, near infrared fluorescence imaging-guided surgery has a positive impact on the recurrence-free survival rate in our orthotopic model, by detecting fluorescent cancer foci that could remain unidentified if resection was performed exclusively under visual guidance. Our results show also that near infrared fluorescence imaging can also help to detect metastatic lymph nodes.Conclusion: Near-infrared fluorescence imaging-guided surgery improves the quality of tumor resection in our optimized orthotopic animal model of HNSCC. This preclinical stage is essential before testing this novel technique in humans.

Résumé:IntroductionLa chirurgie reste le seul traitement à visée curative pour les patients porteurs d’un cancer colorectal (CCR) primitif ou métastatique. L’établissement précis de l’extension de la maladie, au niveau de la tumeur primitive, des ganglions loco-régionaux et des métastases à distance représente un élément essentiel pour la prise en charge thérapeutique. Les ganglions locorégionaux et la technique du ganglion sentinellePour les patients présentant un CCR non métastatique, l’analyse pathologique des ganglions (pN) conditionne la décision d’administrer ou non une chimiothérapie adjuvante. Les patients présentant un envahissement ganglionnaire (pN+) recevront un traitement adjuvant, celui-ci n’étant le plus souvent pas indiqué chez les patients sans envahissement ganglionnaire (pN0). Près de 20 à 30% des patients classés pN0 vont cependant développer des récidives tumorales. Parmi ces patients, il est probable qu’une partie ait été sous-classée au moment du diagnostic. La technique du ganglion sentinelle (GS) permet d’identifier les ganglions les plus susceptibles d’être envahis et de réaliser des analyses anatomopathologiques plus approfondies sur un nombre plus limité d’échantillon. Cette technique est recommandée dans le cancer du sein et dans le mélanome, mais son rôle reste discuté dans le CCR. Le premier volet de cette thèse concerne les résultats d’études cliniques que nous avons menées pour évaluer le rôle de la technique du GS au bleu patenté (BP) et de l’imagerie en fluorescence (IF) au vert d’indocyanine ou indocyanine green (ICG) dans le staging ganglionnaire des patients présentant un CCR. Les principaux objectifs de ces travaux étaient d’évaluer la faisabilité de ces techniques et leur apport dans le staging des patients présentant un CCR.Notre première étude sur la technique du GS au BP, représentant la plus grande cohorte monocentrique européenne, a permis de démontrer la faisabilité de la technique. En outre, cette approche a modifié le geste chirurgical dans 12% des cas (technique in vivo) et a permis de reclasser 10% des patients initialement classés pN0 en pN+ par la réalisation de coupes sériées spécifiquement réalisées sur les ganglions démontrés comme GS. Dans une seconde étude sur la technique du GS comparant l’IF-ICG à la technique au BP, nous avons montré que ces 2 techniques étaient complémentaires, permettant d’augmenter la sensibilité globale pour la détection des métastases ganglionnaires. De plus, l’IF-ICG apparaît comme plus sensible chez les patients présentant une surcharge pondérale. En termes de sensibilité, la recherche du GS par IF est supérieure à la technique BP, ces résultats restant cependant limités, notamment en raison d’un taux élevé de faux négatifs (FN) pour les tumeurs localement avancées (pT3-4). Les métastases ganglionnaires et la carcinose péritonéaleDans le CCR, les patients métastatiques, présentant une carcinose péritonéale (CP) et/ou un envahissement ganglionnaire, ont un pronostic sombre. La chirurgie d’exérèse de la CP associée à une chimiothérapie hyperthermique intrapéritonéale (CHIP) et la réalisation de curages ganglionnaires chez les patients porteurs d’une maladie oligométastatique permettent toutefois d’obtenir des survies prolongées et parfois des guérisons, avec des résultats similaires à ceux observés chez les patients opérés pour métastases hépatiques isolées. Pour la CP, l’étendue de la maladie et la radicalité de la résection sont les principaux facteurs pronostiques de survie. La sensibilité des examens d’imagerie conventionnelle et métabolique reste cependant faible pour déterminer l’extension de la maladie péritonéale. L’évaluation de l’étendue de la CP et son exérèse sont donc essentiellement fondées sur la palpation et l’exploration visuelle réalisée durant l’intervention chirurgicale, représentant un facteur limitant pour la radicalité de la chirurgie. De façon similaire, chez les patients présentant une maladie métastatique ganglionnaire limitée, la détection peropératoire est souvent difficile, nécessitant la réalisation de curages étendus de principe, afin de s’assurer de l’exérèse des ganglions pathologiques.L’utilisation de l’IF après injection iv intra-opératoire d’ICG a été rapportée comme une technique permettant la détection de tissu tumoral tant visible que non visible (infraclinique), pouvant potentiellement aider le chirurgien et guider les gestes de résection. Aucune étude n’avait particulièrement analysé le rôle de l’IF-ICG dans la détection de CP et de métastases ganglionnaires de CCR. Le second volet de cette thèse concerne l’évaluation de l’apport de l’IF après injection iv d’ICG pour la détection de la CP et des métastases ganglionnaires dans le CCR. L’objectif primaire était de vérifier si les métastases péritonéales (MP) et ganglionnaires visibles par le chirurgien étaient effectivement détectées par l’IF-ICG peropératoire. En parallèle, nous avons évalué si l’IF-ICG permettait de détecter une maladie infraclinique, non détectée par le chirurgien dans les conditions habituelles. La première étude de cette seconde partie a permis de montrer que les MP étaient visualisées comme hyperfluorescentes à l’IF-ICG pour autant qu’elles ne soient pas d’origine mucineuse. De plus, l’IF-ICG a permis de détecter des MP non visualisées en lumière visible, permettant d’adapter le geste chirurgical et d’augmenter la radicalité de la résection dans près de 38% des cas. Dans une seconde étude, nous avons rapporté que la technique d’IF utilisée in vivo et ex vivo après injection iv d’ICG permettait d’identifier des ganglions métastatiques, détectés ou non par les imageries conventionnelles et métaboliques préopératoires. Les résultats de cette étude constituant une preuve de concept ont été ensuite confirmés dans une étude rétrospective réalisée sur l’analyse ex vivo des ganglions de patients ayant reçu une injection iv d’ICG. Dans ce travail, nous avons montré que les ganglions envahis étaient plus fluorescents que les ganglions non envahis. Toutefois, cette preuve de concept doit encore être confirmée et évaluée plus largement dans une étude prospective. Ces 2 travaux montrent donc le bénéfice potentiel de l’utilisation de l’IF après injection iv d’ICG à 2 niveaux, pour guider la chirurgie en améliorant la détection peropératoire des sites métastatiques infracliniques et pour guider l’analyse histologique, en identifiant des ganglions fluorescents sur la pièce de résection, permettant une étude anatomopathologique plus ciblée et plus approfondie. Conclusions et perspectivesNos travaux sur la recherche du GS dans le CCR par la technique au BP et à l’IF-ICG ont montré que ces techniques étaient faisables mais que leurs sensibilités restaient limitées, en particulier chez les patients porteurs de tumeurs localement avancées. Dans la CP d’origine colorectale, nous avons montré que l’IF-ICG permettait d’améliorer la stadification de la CP des patients opérés de métastases péritonéales non mucineuses, de révéler des lésions non visibles dans les conditions standards et d’améliorer la radicalité de la chirurgie. Pour la détection de ganglions métastatiques, nous avons montré que l’IF-ICG permettait, in vivo, de détecter des ganglions infracliniques durant l’intervention et ex vivo, de guider l’analyse anatomopathologique de la pièce de résection. Enfin, nous pensons que ces observations pourraient nous permettre d’élaborer un nouveau concept de GS systémique par opposition au GS classique correspondant aux ganglions de drainage anatomique de la tumeur. Nous proposons que les capacités particulières de rétention de l’ICG dans les tissus cancéreux après injection par voie systémique pourraient permettre d’identifier des sites ganglionnaires métastatiques en dehors des sites de drainage révélés par les injections de marqueurs au sein ou en périphérie de la tumeur elle-même. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons élaboré un nouveau protocole d’une étude clinique prospective dans laquelle la détection du GS systémique après injection iv d’ICG sera comparée aux résultats obtenus suite à l’injection péritumorale de BP. Les ganglions révélés par ces 2 techniques seront recherchés ex vivo sur la pièce de résection et analysés en anatomopathologie. Outre la démonstration de métastases ganglionnaires extra-anatomiques, nous pensons que cette approche systémique pourrait permettre de réduire le taux de FN observé suite à une injection péritumorale, notamment pour les tumeurs localement avancées, celles-ci pouvant perturber le drainage lymphatique selon les voies anatomiques. Summary:This thesis reports several clinical research works on the role of indocyanine green (ICG) fluorescence imaging (FI) for the detection of colorectal tumoral tissue. We first evaluate and compare the role of ICG-FI in the detection of sentinel lymph node (SLN) in colorectal cancer (CRC) in view to upstage patients. We have reported that both techniques (blue dye and ICG-FI) are similar in term of sensitivity with a high rate of false negative results. Therefore, we think that new approaches for SLN detection should be developped in CRC. Secondarily, we evaluate the role of ICG-FI after IV ICG injection for the detection of peritoneal carcinomatosis (PC) from CRC origin. We have reported that ICG-FI is able to detect non-mucinous PM with a sensitivity of 86%. Moreover, ICG-FI was able to guide surgery modifying the surgical procedure in 38% of patients. Thirdly, we investigate the role of ICG-FI for the detection lymph node (LN) metastases. We have reported that ICG-FI performed after IV ICG injection is able to detect LN metastases both in vivo and ex vivo. These findings have been confirmed in a retrospective study. Fiinally, we propose a new protocol to evaluate a new approach for SLN detection. In comparison with the standard technique using peritumoral injection, we propose a new approach using systemic (intravenous) ICG injection. We have called this approach the 'systemic' SLN detetion. This approach will be compared with the standard one using peritumoral blue dye injection. Sensitivity, specificity of both technique will be compared. In conclusion, the results of these preliminary clinical studies using ICG-FI for tumoral staging and treatment are encouraging and further larger studies should be performed. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse décrit l'état de l'art des sondes et nanoparticules fluorescents traditionnels utilisés en imagerie de fluorescence ainsi que le développement de nouveaux nanomatériaux à base de polymère à empreinte moléculaire, aussi dénommé ‘anticorps plastique’, pour le ciblage et la bioimagerie. En biologie et en médecine, il y a un besoin constant de diagnostiquer diverses maladies pour leur éventuel traitement et prévention. Une distribution anormale et un taux élévé de glycosylation (e.g. acides hyaluronique et sialique) à la surface ou dans les cellules sont indicateurs d’une infection ou d’un cancer. Généralement, l’imagerie par fluorescence permet de visualiser, localiser et quantifier les biomarqueurs de pathologie mais à l’heure actuelle, il n’existe pas d’outil analytique fiable pour cibler spécifiquement les molécules de glycosylation car les anticorps et les lectines vendus dans le commerce ont une faible affinité et sélectivité vis-à-vis de ces cibles. Dans ce contexte, les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) pourraient apporter une solution. Les MIPs sont des récepteurs synthétiques possédant des affinités et sélectivités comparables à ceux des anticorps, mais exhibant une stabilité physique, thermique et chimique bien plus accrue. De plus, leur fabrication est peu coûteuse et ne nécessite pas de tuer des animaux comme pour l’obtention des anticorps biologiques. Dans cette thèse, nous avons optimisé et synthétisé des MIPs biocompatibles pour leur utilisation en bioimagerie afin de détecter et quantifier l’acide hyaluronique et l’acide sialique sur les cellules et les tissus de peau humaine. L’acide glucuronique, une composante de l’acide hyaluronique et l’acide N-acétylneuraminique, l’acide sialique le plus commun, ont été utilisés comme molécules ‘patron’, générant des MIPs très sélectifs envers leur cible en milieu aqueux. Deux types de nanoparticules de MIPs fluorescents ont été synthétisés: (1) en incorporant un colorant rhodamine polymérisable dans la solution de pré-polymérisation et (2) en encapsulant des boîtes quantiques InP/ZnS générant ainsi des MIPs de type cœur-coquille. Pour cela, nous avons adopté une stratégie innovante qui consiste à synthétiser les coquilles de MIPs directement autour des boîtes quantiques en utilisant l’énergie de l’onde fluorescente émise par l’excitation des points quantiques, pour initier la polymérisation. Un protocole d'immunocoloration standard a ensuite été optimisé afin d’imager des kératinocytes humains fixés et vivants ainsi que des tissus de peau, par microscopie à épifluorescence et confocale. Les résultats étaient similaires à ceux obtenus par la méthode de référence utilisant une protéine biotinylée reconnaissant l'acide hyaluronique. L'imagerie multiplex en combinant deux MIPs couplés à deux couleurs de boîtes quantiques et l’imagerie des cellules cancéreuses ont également été démontrées. Bien que les MIPs n’étaient pas cytotoxiques aux concentrations utilisées pour la bioimagerie, la toxicité des différentes composantes du MIP pourrait être un frein à leur utilisation dans le domaine biomédical. Afin de rendre ces MIPs plus ‘inoffensifs’, nous avons supprimé l’amorceur de polymérisation, une molécule considérée comme toxique. Les MIPs ont été synthétisés en employant des monomères qui s’auto-initient sous l’effet de l’UV ou de la chaleur. La spécificité et la sélectivité des MIPs obtenus étaient similaires à ceux préparés avec des amorceurs. En conclusion, cette thèse décrit la première utilisation des MIPs comme anticorps synthétique pour la bioimagerie de fluorescence. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles applications en détection, diagnostique et thérapie par des MIPs. / This thesis describes the state of the art in nanomaterials-based targeted bioimaging and introduces molecularly imprinted polymers, also termed ‘plastic antibodies’ as novel biorecognition agents for labeling and imaging of cells and tissues. In fundamental biology and medical diagnostics, there is a constant need to localize and quantify specific molecular targets. Abnormal glycosylation levels or distributions of hyaluronan or sialic acids on cells are indicators of infection or malignancy. In general, bioimaging with fluorescent probes enables the localization and qualitative or quantitative determination of these pathological biomarkers. However, no reliable tools for the recognition of glycosylation sites on proteins exist, because the commercially available antibodies or lectins have poor affinity and selectivity for these targets. In this context, tailor-made molecularly imprinted polymers (MIPs) are promising synthetic receptor materials since they present a series of advantages over their natural counterparts such as the ease and low cost of preparation and their physical and chemical stability. Thus, MIPs could provide a robust and specific imaging tool for revealing the location/distribution, time of appearance and structure of glycosylation sites on/in cells, which would lead to a better insight of the tremendously diverse biological processes in which these molecules are involved. Herein, we describe the synthesis of water-compatible MIPs for the molecular imaging of hyaluronan and sialylation sites on cells and tissues. Since molecular imprinting of entire biomacromolecules like oligosaccharides is challenging, we opted for what is commonly called the ‘epitope approach’, which was inspired by nature. The monosaccharides, glucuronic acid and N-acetylneuraminic acid were imprinted, and the resulting MIPs were able to bind these molecules when present and accessible on the terminal unit of hyaluronan and sialylation sites. Fluorescent MIPs were synthesized as rhodamine-labeled nanoparticles and as MIP-coated InP/ZnS core-shell quantum dot (QD) particles. For the coating of the QDs, a novel versatile solubilization and functionalization strategy was proposed, which consists of creating polymer shells directly on QDs by photopolymerization using the particles as individual internal light sources. A standard immunostaining protocol was then successfully adapted for the application of the fluorescently labeled MIPs to image fixed and living human keratinocytes and skin tissues, by epifluorescence and confocal fluorescence microscopy. The results were comparable to those obtained with a reference method where staining was done with a biotinylated hyaluronic acid binding protein. Multiplexed and cancer cell imaging were also performed, demonstrating the potential of molecularly imprinted polymers as a versatile biolabeling and bioimaging tool. Although the MIPs were not cytotoxic at the concentrations used for bioimaging, in order to render them generally applicable in biomedicine, where toxicity of the polymerization precursors is a matter of concern, we suppressed the initiator, a toxic chemical. Initiator-free MIPs were thus synthesized by using monomers that can self-initiate under UV irradiation or heat. The specificity and selectivity of the obtained MIPs were as good as the ones prepared with initiators. In conclusion, we have demonstrated for the first time the great potential of MIPs as synthetic antibody mimics for bioimaging. The possibility to associate other functionalities such as QDs and additionally attach drugs to the same material appears rather straightforward due to the synthetic polymeric nature of MIPs, which paves the way to new potential applications in theranostics.

Avec 35 millions de personnes atteintes dans le monde, la maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue. L'une des caractéristiques pathologiques de cette maladie est l'apparition de plaques amyloïdes, composées d'agrégats de peptide beta-amyloïde. Aujourd'hui, le diagnostic repose essentiellement sur des tests neuropsychologiques et sur la mise en évidence de changements dans la structure du cerveau tels que l'atrophie corticale (diminution du volume du cerveau). Cependant les symptômes de cette maladie n'apparaissent qu'à un stade très développé. Ainsi la détection in vivo des dépôts de peptide beta-amyloïde avant le développement de la maladie pourrait conduire à un diagnostic plus précoce et plus probant. Elle pourrait également faciliter le suivi et l'évaluation des effets des interventions thérapeutiques au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé une méthode de diagnostic précoce innovante, capable de cibler et de détecter les plaques Abeta à la fois par l'imagerie par résonance magnétique et par l'imagerie de fluorescence. Nous avons développé un nouveau type d'agents de contraste intelligents pour l'imagerie multimodale, basé sur des nanoparticules magnétiques sur lesquelles sont greffés les polythiophènes luminescents (LCPs). Les LCPs à la surface des nanoparticules magnétiques se lient aux plaques Abeta de manière sélective et spécifique. Lors de cette liaison, la liberté conformationnelle des polythiophènes se trouve limitée, ce qui conduit à des spectres d'émission spécifiques dépendant de la conformation, et rend pertinent l'usage de l'imagerie par résonance magnétique et de fluorescence des plaques Abeta / Alzheimer's disease is the most common neurodegenerative disorder, affecting around 35 million people worldwide. One of the characteristic pathological hallmarks of AD is amyloid plaques; consist of beta-amyloid peptide aggregates. Today’s diagnosis depends essentially on neuropsychological tests and in highlighting change in brain structure such as cortical atrophy. A major issue is that symptoms appear only at a developed stage of the disease. Then in vivo detection of beta-amyloid deposits at an early stage could lead to earlier and more conclusive diagnosis of AD and help monitoring the effect of therapeutic interventions. In this work, we develop an innovative and early diagnosis method, able to target and detect beta-amyloid deposits aggregates both by magnetic resonance and fluorescence imaging. Thus we develop a new kind of smart contrast agent for multimodal imaging, based on magnetic nanoparticles on which are grafted luminescent conjugated polythiophenes (LCPs). LCPs on the surface of the magnetic nanoparticles bound to beta-amyloid aggregates selectively and specifically. Upon biding to beta-amyloid aggregates the conformational freedom of the backbone is restricted, leading to specific conformation-dependent emission spectra from the LCPs, opening the way for magnetic resonance and fluorescence imaging of the beta-amyloid plaques

L’électroporation (EP) in vivo est utilisée comme stratégie d’amélioration de la réponse immune induite par les vaccins ADN. Cependant son effet sur les acteurs du système immunitaire inné reste méconnu. Dans l’objectif de mettre en évidence le comportement cellulaire sur le site de la vaccination, nous avons développé des approches d’imagerie par fluorescence in vivo chez le macaque. Nos résultats montrent que l’EP locale, augmente non seulement la quantité et la distribution de l’antigène vaccinal, mais induit également la mobilisation et la migration des cellules de Langerhans. De plus, l’EP cause un recrutement de leucocytes dans la peau et le tissu sous-cutané et favorise la production de cytokines pro-inflammatoires dans la peau. Ces évènements précoces, qui résultent de l’utilisation de l’EP en tant que système de délivrance des vaccins ADN, mettent en évidence le potentiel de l’EP en tant qu’adjuvant vaccinal. / In vivo electroporation (EP) is used as a strategy to improve the immune response induced by DNA vaccines. However, its local effect on the innate immune cells has not been fully described. We developed in vivo fluorescence imaging approaches to highlight the cell behavior in the site of vaccination in macaques. Our results show that the local EP not only increases the amount and the distribution of the vaccine antigen, but also induces the mobilization and migration of Langerhans cells. Furthermore, EP causes the recruitment of leukocytes into the skin and subcutaneous tissue and promotes the production of pro-inflammatory cytokines. These early events that result from the use of the EP as a delivery system for DNA vaccines, highlight its potential as a vaccine adjuvant.

Les Quantum Dots (QDs) sont des particules cristallines de semi-conducteur ou du métal de forme sphérique et de dimension nanométrique. L'intérêt majeur des QDs réside dans leur grande adaptabilité à de nombreuses applications biologiques.Le but de mon travail était de développer une nouvelle classe de QDs de faible toxicité afin de les utiliser pour la bio-imagerie des cellules cancéreuses. Pour cela, il est nécessaire de préparer des sondes hydrosolubles, photostables, biocompatibles, de luminescence élevée et possédant une faible toxicité. La synthèse des cœurs de type ZnS and ZnSe dopés au manganèse ou au cuivre et stabilisés par l’acide 3-mercapropropionique ou par le 1-thioglycérol a été réalisée par la voie hydrothermale. Les techniques analytiques de caractérisation utilisées sont la spectroscopie UV-visible, la spectroscopie de fluorescence, la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie photoélectronique de rayon X (XPS), la microscopie électronique à transmission (TEM), la diffusion dynamique de la lumière DLS, la spectroscopie infra-rouge (IR), et la résonance paraélectronique (RPE). La toxicité des QDs a été déterminée sur des cellules cancéreuses. Les différents test de cytotoxicité (MTT, XTT et ferrous oxidation-xylenol orange) ont été réalisés. Finalement, les QDs de type ZnS:Mn conjugués à l’acide folique ont été utilisés pour la bio-imagerie des cellules cancéreuses par le biais d’une excitation biphotonique / Semiconductor QDs are tiny light-emitting crystals, and are emerging as a new class of fluorescent labels for medicine and biology. The aim of this work was to develop a new class of non-toxic QDs probes with essential attributes such as water dispersibility, photostability, biocompatibility, high luminescence and possible excitation with low-energy visible light, using simple processing method. Such nanoprobes could be used for bio-imaging of cancer cells. In the performed studies, I focused on ZnS and ZnSe QDs as they are cadmium-free and might be excited biphotonically.The synthesis protocols of ZnS and ZnSe QDs doped with two ions such as Mn or Cu and stabilized by 3-mercaptopropionic acid or 1-thioglycerol were established, followed by NCs characterization (diameter, surface charge, photophysical properties, …) using analytical techniques such as spectrophotometry UV-vis, fluorimetry, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), infra-red analysis (FT-IR), thin layer chromatography (TLC) and electron paramagnetic resonance (EPR). The cytotoxicity of synthesized bare and conjugated NPs was evaluated on cancer cell lines using MTT, XTT and ferrous oxidation-xylenol orange assay.Finally, chosen well fluorescent and weakly toxic types of as-prepared and characterized QDs were used for bio-imaging of cancer cells. In these experiments, FA-functionalized NCs were excited biphotonically. The performed experiments showed the potential of QDs as cancer cells fluorescent markers and that they accumulate around the cell nuclei