La thérapie photodynamique (PDT) repose sur l'interaction entre une substance accumulée au sein d'un tissu pathologique et une excitation lumineuse à une longueur d'onde adaptée en présence d'oxygène à l'origine de la nécrose tumorale. La protoporhyrine IX (PpIX) est un photosensibilisanteur endogène présent à l'état basal dans la plupart des tissus. L'administration exogène d'un précurseur de la PpIX, comme le 5-acide amino-lévulinique (5-ALA) ou l'hexaminolévulinate (He-ALA), induit une accumulation de PpIX plus conséquente et ce de manière prépondérante dans les tissus néoplasiques, à l'origine du caractère sélectif de l'effet photodynamique. L'excitation de la PpIX à 532 nm entraîne une réponse tissulaire qui se traduit par une nécrose des tissus néoplasiques. Le principe fondamental de la thérapie photodynamique repose sur l'exploitation du caractère sélectif de l'effet photodynamique au niveau des tissus cancéreux ou précancéreux (péritoine d'une carcinose ovarienne, dysplasie cervicale). Contrairement à d'autres spécialités comme la dermatologie, la gastro-entérologie et l'urologie, la thérapie photodynamique est peu développée en gynécologie. Concernant la thérapie photodynamique des micro métastases péritonéales d'origine ovarienne, l'utilisation de l'effet photodynamique en adjuvant de la chirurgie pourrait permettre d'optimiser la prise en charge thérapeutique actuelle des cancers ovariens à un stade avancé. En effet, l'injection intrapéritonéale d'ALA ou d'He-ALA permet, associée à l'utilisation d'une longueur d'onde adéquate (lumière verte à 532 nm) et un protocole d'illumination fractionnée à 45 J.cm-2 d'améliorer l'efficacité de la thérapie photodynamique d'un modèle murin de carcinose ovarienne. En outre, l'utilisation du photobleaching comme marqueur de l'efficacité de la PDT constitue un moyen d'évaluation fiable de l'effet photodynamique puisqu'il est directement corrélé à la réponse tissulaire. Ces résultats justifient le développement de la thérapie photodynamique en pratique clinique. Enfin, l'intérêt de la thérapie photodynamique dans le traitement des dysplasies cervicales de bas grade est actuellement évalué dans une étude clinique de faisabilité.

Ma thèse a permis de développer une nouvelle approche pour étudier, par imagerie in vivo, le comportement des cellules présentatrices d’antigènes (CPA) de la peau suite à la vaccination par voie intradermique chez le primate non-humain. Le ciblage des CPA a été réalisé par injection in vivo d’un anticorps monoclonal anti-HLA-DR fluorescent. L’effet sur les CPA d’un adjuvant (R-848, ligand du TLR7/8) et l’immuno-ciblage des cellules de Langerhans par une protéine de fusion vaccinale anti-VIH (anti-langérine-VIHGag) ont ainsi été évalués par imagerie in vivo, vidéomicroscopie confocale ex vivo et cytométrie en flux. Ce travail a contribué à améliorer nos connaissances immunologiques sur les effets locaux et précoces des vaccins et /ou adjuvants. / My pHD project allowed the development of in vivo imaging approaches to study the skin antigen presenting cell (APC) behavior post-intradermal vaccination in non-human primates. APC targeting was performed by in vivo injection of fluorescent anti-HLA-DR monoclonal antibody. The effect of an adjuvant (R-848, ligand of TLR7/8) on skin APC and the immunotargeting of Langerhans cells by anti-HIV vaccinal fusion protein (anti-langerin-HIVGag) were assessed by in vivo fluorescent imaging, ex vivo confocal videomicroscopy and flow cytometry. This work contributed to improve immunological knowledge on local and early events post-vaccination with or without adjuvant.

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.

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.

Le cancer de la vessie est un cancer fréquent et extrêmement onéreux par patient puisque plusieurs patients subissent des récidives de cancer et ont recours parfois à des chirurgies complexes. Il est donc important de diagnostiquer efficacement ces cancers lors de la prise en charge initiale du patient. En effet, la procédure standard d’imagerie pour la détection du cancer est la cystoscopie de la vessie guidée par lumière blanche, toutefois cette méthode ne permet pas de bien distinguer les cellules qui sont propices à l’invasion musculaire des cellules de cancer de la vessie non infiltrant. Ce mémoire propose d’utiliser un nouvel immunoconjugué fluorescent ciblant la sous-unité alpha du récepteur de l’interleukine 5, un nouveau biomarqueur spécifique aux cellules du cancer de la vessie infiltrant, afin d’effectuer la cystoscopie de la vessie guidée par fluorescence. Pour ce faire, un protocole de conjugaison du fluorochrome cyanine-5 (Cy5) à un anticorps monoclonal a été développé. De plus, un protocole de conjugaison d’un peptide Cell Accumulator (ACCUM) sur cet anticorps fluorescent (A14-Cy5-ACCUM) a été optimisé. Ensuite, la capacité de cet immunoconjugué à marquer les cellules humaines de cancer de la vessie infiltrantes du muscle (MIBC), HT1376, a été testée. Par la suite, un nouveau modèle orthotpique murin de MIBC humain permettant la validation préclinique prochaine de l’A14-Cy5-ACCUM a été développé. Une banque de plasma et sérum sanguin, et d’urine de patients sains et atteints de cancer de la vessie a été compilé. Cette biobanque contient 111 échantillons de plasma sanguin et d’urine qui pourront être utilisé afin de tester l’hypothèse selon laquelle le niveau d’interleukine-5 sanguin pourrait être un facteur pronostique pour la progression du cancer de la vessie. Ce projet jette les bases pour l’évaluation potentielle de la cystoscopie guidée par fluorescence lors de la prise en charge initiale des patients atteints de cancer de la vessie afin d’améliorer la survie sans progression et la survie à long terme des patients atteints de MIBC. / Abstract: Bladder cancer is a frequent and extremely costly cancer when evaluated on a per-patient basis because of its high recurrence rate and patients undergoing complex medical procedures. It is of utmost importance to better identify the aggressiveness of this cancer at initial diagnosis. The standard procedure for bladder cancer detection is still white-light guided cystoscopy, which relies mostly on physicians experience in regard to identifying invasive malignancies. This memoir proposes the use of a new fluorescent immunoconjugate, targeting the alpha subunit of interleukin-5 receptor (IL-5R[apha]), a new biomarker specific to muscle-invasive bladder cancer (MIBC) cells for fluorescence-guided cystoscopy. To do so, a conjugation protocol to fluorescently label a monoclonal antibody with cyanine-5 fluorophores has been developped. Then, a conjugation protocol to attach Cell Accumulator (ACCUM) peptides to this fluorescent immunoconjugate (A14-Cy5-ACCUM) has been optimized. Moreover, the ability of A14-Cy5-ACCUM to stain MIBC cell line HT1376 has been tested. Most importantly, a novel orthotpic rat model of human MIBC for the future preclinical validation of fluorescence-guided cystoscopy in rat bladder has been developped. Finally, a new bladder cancer tissue repository at the CHUS has been established. This repository contains a total of 111 plasma and urine patient samples that will be helpful to evaluate if interleukin-5 blood levels could be used as a prognosis marker for bladder cancer progression. This project laid the basis for the potential evaluation of fluorescence-guided cystoscopy during initial diagnosis of bladder cancer patients to improve their disease-free and long-term survival.