Les nanoparticules d’oxyde de fer de structure spinelle ouvrent de nombreuses voies dans le domaine biomédical. Parmi les applications possibles, les propriétés superparamagnétiques des cristallites d'une dizaine de nanomètres permettent de les utiliser pour le diagnostic médical, notamment en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).Ce travail a consisté à élaborer des suspensions colloïdales de nanoparticules de magnétite ou de maghémite (nommées USPIO pour Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) compatibles avec les conditions physiologiques (pH = 7,4 et [NaCl] = 0,15 M).Par co-précipitation classique, des USPIO, de taille de cristallites de 8 nm, de surface spécifique de 110 m².g-1 et agrégés en assemblages d’environ 20 nm ont été obtenus. Pour stabiliser ces nano-objets, deux voies ont été explorées. Des agents électrostatiques (acide citrique et DMSA) ont modifié la charge nette de surface des oxydes de fer. La stabilisation stérique a également été explorée par greffage de méthoxy-PEG couplés à des fonctions silanes (mPEG-Si). Par combinaison de mPEG2000-Si et de DMSA, des suspensions stables ont également été obtenues. De plus, les fonctions thiols apportées par le DMSA et présentes à la surface des agrégats se trouvent protégées de leur oxydation naturelle par l'encombrement stérique des chaînes de polymère (la formation de ponts disulfures est évitée). La post-fonctionnalisation de ces nanoparticules via ces fonctions thiols est alors possible plusieurs semaines après leur synthèse. Ce concept a été validé par post-greffage d’un fluorophore (0,48 RITC/nm²) pour la détection in vitro en microscopie à fluorescence.En parallèle de cette étude en « batch », des nanoparticules d’oxyde de fer ont été synthétisées en continu à l’aide d’un procédé hydrothermal pouvant s’étendre au domaine eau supercritique. En voie hydrothermale classique, des USPIO stabilisés par des ions citrates ont été obtenus en continu. Grâce aux propriétés physicochimiques de l’eau supercritique, la co-précipitation de magnétite a été possible sans l’utilisation de base.La cytotoxicité et l’internalisation cellulaire de ces USPIO ont été évaluées sur trois modèles cellulaires (macrophages RAW, hépatocytes HepG2 et cardiomyocytes) et les efficacités comme agents de contraste en IRM de ces nanoparticles ont été mesurées sur gel et sur modèle murin et comparées à un agent de contraste commercial à base d’oxyde de fer. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de cytotoxicité et ont développé des pouvoirs contrastants comparables à l’agent commercial. La biodistribution hépatique des nanoparticules couplées au mPEG-Si a été retardée de plus de 3 heures ouvrant la voie à des détections spécifiques. / Spinel structured iron oxide nanoparticles open the way of biomedical applications of nanomaterials.Superparamagnetic properties of ten nanometer size crystallites permit to use them in diagnosis such as Magnetic Resonance Imaging (MRI).The aim of this work was to synthesize colloidal suspension of magnetite or maghemite (called USPIO for Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) stable in physiological conditions (pH = 7.4 and [NaCl] = 0.15M).By classical co-precipitation method, UPSIO were synthesized with a mean crystallite size of 8 nm, with a specific surface area of 110 m².g-1 and an aggregate size of 20 nm. To stabilize these nano-objects, two ways were investigated. Electrostatic agents (like citric acid and DMSA) modified iron oxide surface charge. Steric stabilization was also studied by grafting methoxy-PEG coupled with a silane function (mPEG-Si).and the combination mPEG - DMSA also resulted in stable suspensions. Moreover thiols functions coming from DMSA and present on the surface of the nanoparticles were prevented from oxidation thanks to steric protection of polymer chains. Thanks to this method post-functionalization of USPIO was possible several weeks after synthesis. This concept was validated with the post-grafting of a dye (0.48 RITC per nm²) used for in vitro detection in fluorescent microscopy.Nanoparticles were also synthesized in a continuous way with a hydrothermal process which could work from soft chemistry to supercritical water. In classical hydrothermal conditions, USPIO stabilized with citrates were obtained in a continuous way. Thanks to the physico-chemical properties of supercritical water, co-precipitation of magnetite without base adding was possible.Cytotoxicity and cellular internalization assays were done with our USPIO in three cellular models (macrophages RAW, hepatocytes HePG2 and cardiomyocytes). Moreover the efficiency as MRI contrast agents were measured in gels tubes and on mice models and compared to an iron oxide commercial product. Late hepatic biodistribution (more than three hours) was proven with pegylated nanoparticles, which opens the way of specific detections.

Ce travail de thèse a consisté en la conception et la réalisation d’une nano-sonde hybride luminescente visant à permettre la détection précoce du cancer de la prostate. La première partie de ce projet a été consacré à la synthèse, par une voie de chimie click, d’une bibliothèque d’acides 4-triazolyl dipicoliniques substitués en position 4 du triazole par une large gamme de substituants. Ces diacides ont permis d’obtenir les complexes d’europium(III) et de terbium(III) correspondant, qui ont montré d’excellentes propriétés optiques, avec des rendements quantiques de luminescence sous excitation UV pouvant atteindre 60% et 36%, pour les complexes d’europium(III) et deterbium(III) respectivement. D’autre-part, ces fluorophores ont pu être excités efficacement en régime biphotonique, à la fois au travers des transitions S0 ®S1 et S0 ®T1. Sur la base de ces résultats, certains de ces chélates ont été sélectionnés afin de les incorporer dans des nanoparticules de silice. Le procédé d’élaboration par microémulsion inverse s’est révélé efficace pour l’incorporation des complexes électriquement neutres, mais n’a pas permis celle de nanohybrides incorporant des complexes chargés négativement. Ces nanohybrides présentent des propriétés optiques caractéristiques des lanthanides, avec des rendements quantiques allant jusqu’à 30%. La surface de ces nano-objets a ensuite été fonctionnalisée par des groupements amino, qui ont permis le greffage de bras espaceur et d’un vecteur ciblant la PSMA, l’un des signaux du cancer de la prostate, nous donnant ainsi accès à un modèle de nano-sonde luminescente. Un autre volet de ce travail a été dédié à l’étude de nouveaux analogues du NAAG, substrat naturel de la PSMA. Bien que la synthèse des deux composés cibles, sélectionnés parmi une vingtaine de structures par modélisation moléculaire, n’ait pu aboutir, elle a été largement avancée. Enfin, la dernière partie de ce travail décrit les premiers résultats obtenus in vitro et in vivo avec les nanosondes. Ces études ont porté sur l’évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules ainsi que sur leur biodistribution chez la souris saine et chez la souris porteuse d’une tumeur prostatique. Cette étude a révélé une élimination rapide des nanoparticules par l’organisme, mais n’a malheureusement pas pu mettre en évidence un marquage des zones tumorales par les nanosondes. / The aim of this project was the design of a luminescent nanoprobe allowing the early prostate cancer detection.The first part of this project was the synthesis, through a click chemistry approach, of a library of 4-triazolyl dipicolinic acid substituted in position 4 of the triazole by a wide range of substitutive groups. These diacids were used to synthesise the corresponding europium(III) and terbium(III) complexes, which showed excellent optical properties, with photoluminescence quantum yield under UV excitation reaching 60% for europium(III) complexes and 36% for terbium(III) complexes. Moreover, these phosphores have been efficiently excited in biphotonic regime through the transitions S0 ®S1 and S0 ®T1. The more interesting chelates were selected for their further embedding into silica nanoparticles. The water-in-oil emulsion process showed a great efficiency for the incorporation of electrically neutral complexes, but did not allow the embedding of negatively charged ones. The resulting nanohybrids showed optical properties typical of lanthanides, presenting photoluminescence quantum yields up to 30%. The nanoparticles surface was then functionalised by amino groups, which were used to graft a spacer then a prostate tumour cells vector, giving us a luminescent nanoprobe model. The third section of this work was devoted to the study of new analogues of NAAG, the natural substrate of the PSMA, one of the prostatic cancer signals. Although the synthesis of the two target compounds, selected from more than 20 structures by molecular modelling, was uncompleted, they are now within easy reach. The last part describes the preliminary results obtained in vitro and in vivo with the nanoprobes. These studies were focused on the nanoparticles cytotoxitcity assessment, depending on the surface functionalisation, and on their distribution, in healthy and in prostatic tumour bearing mice. This study revealed the fast elimination of the nanoparticles by the organism, but did not show any concentration of nanoprobes in tumoral area.

Les possibilités offertes par les applications en médecine des nanoparticules sont l’un des facteurs essentiels des progrès médicaux attendus pour ce XXIème siècle. Ainsi, le domaine de l’imagerie médicale est aussi touché par cette évolution technologique. Ce présent travail a consisté à élaborer des sondes théranostiques à base de nanoparticules d’oxydes de fer (SPIO) et de nanotubes de titanate (TiONts) pour l’imagerie multimodale (magnétique/nucléaire ou magnétique/optique) et possédant aussi un effet thérapeutique (hyperthermie/PDT ou radiosensibilisation/PDT).Les nanotubes de titanate de cette étude, d’une longueur moyenne d’environ 150 nm, ont été obtenus par synthèse hydrothermale selon la méthode de Kasuga. Ces nanotubes présentent un diamètre extérieur de l’ordre de 10 nm et une cavité interne de 4 nm. Les nanoparticules d’oxydes de fer ont quant à elles été synthétisées par méthode de co-précipitation "Massart". Ces nanoparticules d’oxydes de fer de structure spinelle possèdent des cristallites de 9 nm de diamètre et présentent un comportement superparamagnétique mis en évidence par des mesures FC/ZFC. Pour préparer ces nanoparticules à recevoir des molécules d’intérêt biologique, deux ligands possédant des fonctions organiques plus réactives (APTES : NH2 et PHA : COOH) ont été greffés à la surface de ces deux types de nanoparticules. La présence de l'un ou l'autre a été mise en évidence par différentes techniques d’analyses (XPS, IR, zêtamétrie). La quantité de molécules greffées a été déterminé par ATG, elle est dans tous les cas d’environ 5 molécules/nm2. Dans un premier temps, les nanotubes de titanate ont été fonctionnalisés par un agent macrocyclique (0,2 DOTA/nm2). Après radiomarquage à l’indium 111, les TiONts – DOTA[In] ont été injectés dans des souris Swiss mâle nude pour connaître leur biodistribution en imagerie SPECT/CT. Les images obtenues et le comptage de la radioactivité dans chaque organe ont montré qu’au bout d’une heure, les nanotubes se situent dans les poumons et dans l’urine. Ensuite, les nanotubes sont progressivement éliminés pour n’être plus présents que dans les urines à 24 heures. Ces mêmes agents chélatants ont été greffés à la surface des SPIO pour la création de sondes multimodales IRM/SPECT ou IRM/TEP. En parallèle de cette étude, un fluorophore (phtalocyanine de zinc, ZnPc) a été greffé à la surface des nanoparticules. Le nanohybride SPIO – Pc synthétisé possède les propriétés requises pour être une sonde utilisable en imagerie bimodale IRM/IO grâce à sa longueur d’émission vers 670 nm et sa relaxivité de l’ordre de 70 L.mmolFe3O4-1.s-1. De plus, les nanohybrides ont été fonctionnalisés par du PEG pour les rendre furtifs, biocompatibles et stables. La toxicité de certains de ces nanohybrides a été évaluée avec le modèle in vivo zebrafish. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de toxicité, n’ont pas perturbé l’éclosion et n’ont pas provoqué de malformations sur les larves des zebrafish. / The new implementations of nanoparticles in the medical field are one of the essential factors of the medical progress expected at the beginning of this XXIst century. Thus, the domain of the medical imaging is also affected by this technological evolution. This work consisted in developing theranostic probes with iron oxides nanoparticles (SPIO) and titanate nanotubes (TiONts) for multimodal imaging (magnetic/nuclear or magnetic/optical) and also possessing a therapeutic effect (hyperthermia/PDT or radiosensitization/PDT).The titanate nanotubes of this study have an average length of about 150 nm and were obtained by Kasuga's hydrothermal synthesis. These nanotubes present an outside diameter of about 10 nm and an intern cavity of 4 nm. On the other hand, iron oxides nanoparticles were synthesized by soft chemistry ("Massart" method). These spinel-like iron oxides nanoparticles have a crystallite size of 9 nm in diameter and exhibit a superparamagnetic behavior which was highlighted by FC / ZFC measurements.To get these nanoparticles ready to receive molecules of biological interest, two linkers of more reactive organic functions (APTES: NH2 or PHA: COOH) were grafted to the surface of these two types of nanoparticles. Their presence was shown by different techniques (XPS, IR, UV-vis). The amount of grafted linkers was determined by TGA and in all cases this amount is close to 5 molecules/nm2. First, titanate nanotubes were coated by a macrocyclic chelating agent (0.2 DOTA/nm2). After radiolabelling with indium 111, the TiONts – DOTA[In] nanohybrids were injected in Swiss nude mice and observed by SPECT/CT imaging to characterize their biodistribution. The SPECT/CT images and the radioactivity measured in each organ showed that after one hour, nanotubes are located in lungs and in urine. Then, the nanotubes are gradually eliminated and are only found in urines after 24 hours. The same macrocyclic agent was grafted to the SPIO’s surface for the creation of multimodal probes MRI/SPECT or MRI/PET. Alongside this study, a fluorophore (Zinc phthalocyanine) was also grafted to the surface of nanoparticles. The synthesized SPIO – Pc nanohybrid has the required properties of bimodal imaging MRI/OI probe thanks to his emission wavelength around 670 nm and its relaxivity is about 70 L.mmolFe3O4-1.s-1. Furthermore, nanohybrids were coated by PEG to make them stealth, biocompatible and stable.In this study, the toxicity of most nanohybrids was evaluated by the in vivo zebrafish model. The studied nanohybrids did not present any toxicity, hatching disruption or malformation on zebrafish larvae.