La nanomédecine est porteuse de nombreuses promesses et bienfaits pour l’humanité. Or, l’opposition massive à l’introduction des organismes génétiquement modifiés (OGM) a montré que les promesses attendues des innovations technologiques ne sont pas garantes de leur acceptabilité. L’absence d’une démarche axée sur les impacts possibles, l’acceptation et l’acceptabilité de l’utilisation des nanotechnologies en médecine pourrait toutefois conduire à un manque d’adéquation entre les applications développées et les besoins et valeurs des acteurs sociaux. À partir d’un cadre conceptuel interdisciplinaire et du contexte clinique de la prévention et du traitement des plaies de pression chez les personnes diabétiques, les variables de perception d’impacts, d’acceptation et d’acceptabilité ont été opérationnalisées et étudiées afin d’explorer la relation entre ces variables, mais surtout de mieux comprendre l’influence des types de profil des répondants sur ces variables. L’exploration des impacts perçus, mobilisés et pondérés sur un ensemble d’enjeux a permis d’établir un premier portrait de l’acceptabilité de dispositifs à base de nanotubes de carbones utilisés dans le contexte clinique de soins des plaies de pression. Une approche descriptive-exploratoire fondée sur un devis mixte avec triangulation séquentielle des données a été employée. Un questionnaire a été développé et prétesté à l’aide d’entrevues cognitives (n = 35). Les données ont ensuite été recueillies en deux phases, d’abord par le biais d’un questionnaire en ligne (n = 270), puis par des entrevues individuelles semi-dirigées (n = 23). L’échantillon final se compose de trois types de profil, soit des professionnels de la santé, des personnes diabétiques et non-diabétiques. L’opérationnalisation du cadre de référence a permis de distinguer les dimensions individuelle/ sociale des concepts d’acceptation et d’acceptabilité. Plus encore, l’importance des types de profil dans l’étude de ces variables complémentaires à la perception des impacts a été démontrée, notamment par la mise en lumière du paradoxe des professionnels de la santé dans le jugement d’acceptabilité. Ces distinctions invitent à dépasser les approches traditionnelles d’acceptation technologique en axant davantage sur les impacts perçus et valorisés/priorisés dans la formation du jugement d’acceptabilité. Le développement d’applications en nanomédecine bénéficierait d’une meilleure compréhension de la formation du jugement d'acceptabilité et l'influence du type de profil sur celui-ci.

Les nanoparticules (NPs) concentrent beaucoup d’espoir en nanomédecine, en particulier les nanoparticules magnétiques de silice mésoporeuse (M-MSN) qui pourraient permettre des avancées en théranostic. Néanmoins l’innocuité de ces NPs recouvertes de décorations leur conférant des propriétés spécifiques, doit être démontrée afin d’éviter des effets néfastes sur les tissus sains, notamment sur le foie, l’organe de transformation des xénobiotiques. L’objectif de cette thèse était donc d’évaluer la toxicité potentielle de M-MSN soit natives, soit recouvertes de polyéthylène glycol (PEG), soit entourées d’une bicouche lipidique de 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC). Pour ce faire un modèle de cellules humaines hépatiques (HepaRG) a été choisi pour effectuer des tests de toxicité in vitro et pour élucider le mode d’action intracellulaire de ces différentes NPs.Les caractéristiques physico-chimiques des M-MSNs natives et décorées ont été mesurées par différentes techniques comme la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la microscopie électronique à transmission (TEM) et la microscopie à force atomique (AFM). La toxicité des NPs a été évaluée tout d’abord par des tests de viabilité et par impédance cellulaire en temps réel (xCELLigence).L’étude des profils d’expression génique sur des oligo microarrays à très haute densité (8x60k sondes, Agilent) a ensuite permis d’évaluer, de façon dose- et temps-dépendante, la toxicité de ces NPs. De plus l’utilisation d’une méthodologie originale d’analyse comparative de données massives nous a permis de mettre en évidence les mécanismes moléculaires déclenchés par les NPs dans les hépatocytes. Nous avons déterminé des doses n’induisant aucune toxicité ou une légère toxicité transitoire après 24h, soit une valeur seuil de biocompatibilité avec les cellules HepaRG. Nous avons également montré par TEM le ralentissement de l’internalisation des NPs lorsqu’elles sont PEGylées ainsi que leurs effets transcriptomiques différés par rapport aux NPs natives et lipidiques. Néanmoins, une dose de 80 µg/cm² de M-MSNs, natives ou décorées, déclenche l’enchaînement des évènements de l’AOP (Adverse Outcome Pathway) de la cholestase hépatique. Ce résultat démontre que cette méthodologie est adaptée à la toxicologie prédictive par analyse des réponses biologiques cellulaires après exposition à des substances exogènes.Par ailleurs, les NPs ont tendance à se recouvrir de protéines (corona) en présence de sérum humain. L’analyse par impédance cellulaire montre que des M-MSNs entourées d’une corona de protéines sériques humaines ou bovines ne provoquent pas la même toxicité sur des cellules humaines. Ce résultat pose la problématique d'une potentielle surestimation de la toxicité des nanoparticules lors d’essais in vitro, utilisant classiquement du sérum de veau dans les milieux de cultures.Nous avons entrepris l’étude de la dynamique de la corona (entre 30s et 7 jours) par spectrométrie de masse en tandem. Cette analyse a mis en lumière trois types de comportements protéiques. Le premier cluster contient des protéines abondantes qui se désorbent au cours du temps, le second cluster est composé de protéines qui s’enrichissent progressivement et issues de mêmes familles protéiques comme les apolipoprotéines, et le troisième cluster contient des protéines à enrichissement tardif dans la corona, attirées par leur affinité pour des protéines déjà présentes. Un réseau dynamique d’interactions protéines-protéines, ou intéractome, a pu être cartographié au sein de la corona. Ces travaux posent les bases d’un possible contrôle des protéines de la corona afin de conférer aux nanovecteurs des propriétés de furtivité leur permettant d’atteindre des organes cibles sans être opsonisés. Les techniques utilisées au cours de ce travail, basées sur les analyses de quantités massives de données biologiques, pourraient faire partie de futurs standards d’évaluation de la nanosécurité. / Nanoparticles (NPs) capable of transporting and releasing therapeutic agents to target tissues constitute one of the most exciting areas in nanomedicine, especially magnetic mesoporous silica nanoparticles (M-MSN). M-MSNs may be addressed to tumors thanks to their magnetism and can act as drug carriers thanks to their high specific surface area. Nevertheless, the safety of these NPs with decorations, conferring them specific properties, must be assessed in order to avoid harmful effects on healthy tissues, in particular on the liver, the organ of xenobiotics metabolism.The goal of this thesis was therefore to evaluate the potential toxicity of M-MSN either pristine, or coated with polyethylene glycol (PEG), or surrounded by a lipid bilayer of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3- Phosphocholine (DMPC). To this end, the human hepatic cell model HepaRG was chosen to realize in vitro toxicity testing and to elucidate the intracellular mode of action of these various NPs.The physico-chemical properties of pristine and covered M-MSNs were measured using different techniques such as dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). NPs toxicity was first evaluated by viability testing and real-time cell impedance analysis (xCELLigence).Gene expression profiles were then performed through very high density oligo microarrays (8x60k, Agilent) to evaluate, in a dose- and time-dependent manner, the toxicity of these NPs. In addition, the use of an original methodology for comparative analysis of large biological data allowed us to demonstrate the molecular mechanisms triggered by the NPs in the hepatocytes. We were able to determine the dose not triggering any toxicity as well as the dose inducing a slight transient toxicity after 24h. We thus defined this latter value as a threshold of biocompatibility with HepaRG cells. We also showed by TEM a slower uptake of PEGylated NPs by cells as well as their delayed effects on the transcriptome compared to the pristine and DMPC NPs. Nevertheless, a dose of 80 μg/cm² of pristine or covered M-MSNs triggers the chain of events of the hepatic cholestasis AOP (Adverse Outcome Pathway). This result demonstrates that this methodology is suitable for predictive toxicology by analysis of cellular biological responses after exposure to exogenous substances.Furthermore, NPs tend to be covered with proteins in the presence of serum (corona). Cell impedance analysis shows that M-MSNs surrounded by human or bovine serum proteins coronas do not trigger the same toxicity on human cells. This result raises the problem of a potential overestimation of NPs toxicity to human cells in in vitro testing by using fetal bovine serum in culture media.We undertook a dynamic analysis (between 30 s and 7 days) of the corona formation by tandem mass spectrometry has highlighted three groups of protein with distinct behaviors. The first cluster contains some abundant proteins that desorb over time, the second cluster comprises some protein families such as apolipoproteins, and the third cluster contains late enrichment proteins attracted by other proteins already present in the corona. A dynamic network of protein-protein interactions inside the corona, namely the interactome, was built from the data. This work opens the way to a possible control of the corona in order to provide the nanocarriers with stealth properties allowing them to reach target organs without being opsonized.These techniques used during this thesis and based on analyses of biological big data might be part of the future standards on nanosafety evaluation.

La multiplication des résistances aux antibiotiques constitue une grave menace qui nécessite de nouvelles stratégies antimicrobiennes. Le but de ce travail est d'étudier le potentiel des nanocapsules lipidiques (NCLs) pour l'administration de peptides antimicrobiens (PAMs). Les premiers travaux ont porté sur le développement et l'optimisation de NCLs chargées en PAMs. Différentes stratégies d’association ont été testé (adsorption à la surface ou encapsulation dans le coeur de NCLs). Les résultats ont démontré une efficacité d'association comprise entre 20 et 40%, lorsque les peptides sont adsorbés à la surface et plus de 80%,lorsqu’ils sont encapsulés. La deuxième partie s’est concentrée sur l'évaluation de l’activité des complexes PAMs et NCLs ainsi que leur stabilité vis-à-vis des protéases. Les résultats ont montré que l'adsorption entraîne une potentialisation de l'activité antimicrobienne des PAMs, associée à une protection partielle contre la dégradation enzymatique. Inversement, l’encapsulation des PAMs montre une meilleure stabilité aux enzymes, corrélée à une efficacité d'encapsulation supérieure sans amélioration de l'activité antimicrobienne in vitro. Dans une troisième partie, les mécanismes impliqués dans les interactions LNC/PAM ainsi que l'interaction du complexe avec un modèle de membrane bactérienne ont été étudiés. Il a été montré que la structure et la flexibilité des PAMs aux interfaces solide-liquide gouverneraient l'adsorption des peptides à la surface des NCLs, entrainant un changement de leur comportement avec les membranes bactériennes. L’ensemble de ces résultats démontre le potentiel prometteur des NCLs en tant que vecteur de PAMs. / The rapid increase in drug-resistant infections presents an acute problem in the healthcare sector, generating interest in novel antimicrobial strategies. The aim of this work is to explore the potential of lipid nanocapsules (LNCs) for Antimicrobial peptides (AMPs) delivery. Firstly, the experiments were focused on the development and optimization of AMP-loaded LNCs. Different strategies were investigated to deliver AA230,LL37 and DPK060 using LNCs (peptides adsorption atthe surface or encapsulated in the core of modified LNCs). The results demonstrated an association efficiency of 20 to 40%, when peptide is adsorbed, and over 80% encapsulation efficiency, when peptides are encapsulated. The second part concerned the study ofthe influence of peptides loading on their activity and stability against proteases. The results showed that peptides adsorption induced a potentiation of the antimicrobial activity of the native peptides, with a partial protection against proteolytic degradation. Conversely, peptides encapsulation allowed better peptide stability, correlated with higher encapsulation efficiencies and a preservation of the in vitro antimicrobial activity. In a third part, the mechanisms involved in LNC/AMP interactions and the complex interaction with model bacterial membrane have been evaluated. It has shown that structure and flexibility at solid-liquid interfaces govern peptide adsorption on the surface of the LNCs, which in turn is expected to change LNCs properties and interaction with bacterial membranes. Taken together, these results demonstrate the potential of LNCto deliver AMPs as an alternative anti-infective therapy.

De nombreux traitements anti-cancéreux ont été découverts au cours des dernières années. Cependant, ces derniers sont souvent responsables d'effets secondaires du fait de leur manque de spécificité.Le but de cette étude est de développer des formulations nanométriques de micelles pour améliorer le ciblage des cellules malades par ciblage passif et/ou actif. Les micelles peuvent être utilisées en tant que transporteurs de médicaments afin de les amener aux cellules cibles sans atteindre les organes sains.Des micelles polymérisées ont été développées pour cibler de manière passive les tissus tumoraux.Des micelles sensibles à certains stimuli comme la lumière ou le pH ont également été préparées pour assurer une libération contrôlée de principes actifs.Afin de conférer aux micelles des propriétés de ciblage actif, elles ont été fonctionnalisées par des ligands de ciblage. Les ligands présents à la surface du transporteur permettent un ciblage actif des cellules qui sur-expriment certains récepteurs.Enfin des micelles ont été développées pour pouvoir les utiliser comme agents de contraste en IRM. / Many drugs directed against cancer have been discovered over the past few years. However, the latter often induce severe side effects due to their lack of specificity.The aim of this study is to develop nanometric micellar formulations in order to improve the passive and/or active targeting of diseased cells. The micelles can be used as drug carriers to deliver drugs without affecting healthy organs.Polymerized micelles have been developed in order to passively target tumor tissues.Micelles sensitive to some stimuli such as light or pH have been prepared in order to ensure a controlled release of active compounds.In order to achieve active targeting, micelles were functionnalized with targeting ligands. These ligands at the carrier’s surface are responsible for active targeting of cells overexpressing some receptors.Some micelles have also been developed in order to be used as contrast agents in RMI.

Les oligonucléotides sont de courtes séquences d’acide nucléique qui ont la capacité d’inhiber ou de moduler l’expression d’un gène cible par différents mécanismes. Cependant, leur potentiel thérapeutique est limité par leur faible internalisation. Pour pallier ce problème de vectorisation, il a été envisagé de conjuguer les oligonucléotides à des molécules biocompatibles. Ce travail de thèse porte sur des bioconjugués composés d’un nucléolipide à l’extrémité 5’ ou 3’ des oligonucléotides. Tout d’abord, les propriétés physico-chimique et d’hybridation de ces nouveaux composés ont été évaluées. Des études biologiques ont ensuite été réalisées in vitro et in vivo. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence le mécanisme d’internalisation cellulaire mais aussi de prouver l’efficacité de transfection et d’inhibition de ces conjugués. En outre, le caractère amphiphile de ce type de composé rend possible leur auto-assemblage pour la formulation de substances actives. Dans ce cadre, différentes formulations ont été investiguées. Ainsi, dans ce travail de thèse une nouvelle technologie d’oligonucléotides conjugués a été développée. La séquence de ces molécules peut être modulée et maitrisée de manière à l’adapter à la cible thérapeutique visée. Actuellement, ce système est appliqué sur treize projets différents à l’échelle nationale. L’effet thérapeutique est ainsi évalué dans différentes pathologies telles que des cancers hormono-dépendants, des leucémies, des maladies neurologiques chroniques ou encore la résistance aux antibiotiques. / Oligonucleotides are short nucleic acid molecules able to modulate or inhibit gene expression. However the main drawback of oligonucleotides lies in their poor cellular internalization, which limit their therapeutic applications. Herein, to overcome this limitation, oligonucleotides were conjugated to biocompatible molecules as a nucleolipid to either the 5'- or the 3'-end. First, physico-chemical properties and binding behaviour of this newly compound were investigated. Then in vitro and in vivo biological assays were performed to characterize but also understand the cellular internalization pathways and their biological activities. Finally, the amphiphilic nature of the oligonucleotide-nucleolipid confers spontaneously self-assembling properties for drugs loading and vectorization purposes. This Ph.D. thesis focuses on new oligonucleotide bioconjugates for various biological applications. Sequences of nucleotides can also be modulated to specifically bind to the therapeutic target. This tuneable technology is actually used in 13 different projects, including hormone-dependent cancers, leukemia, chronic neurological disorders and antibiotic resistance, for example.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le polyéthylène glycol (PEG) est un polymère reconnu comme généralement sécuritaire (GRAS) et son utilisation est très répandue dans plusieurs domaines, dont celui de la pharmaceutique. Ce polymère peut être conjugué à des protéines ou des vecteurs pharmaceutiques transportant des médicaments afin de prolonger le temps de circulation dans l'organisme. Bien que le PEG ait été considéré comme non immunogène, des études récentes montrent qu'environ 20 à 70 % de la population possèdent des anticorps capables de reconnaitre le polymère. Par un effet neutralisant, ces anticorps anti-PEG pourraient réduire l'efficacité et le temps de circulation de certains médicaments PEGylées. Ces travaux s'intéressent à comprendre les mécanismes derrière la réponse immunitaire anti-PEG des vecteurs pharmaceutiques et plus particulièrement des nanoparticules de polymère composé de PLGA-PEG. Notre hypothèse est que ces nanoparticules de polymère causent la production d'anticorps anti-PEG initier à l'aide de la cascade du complément. Lors de ces travaux, des anticorps anti-PEG étaient mesurés après sept jours, peu importe la voie d'administration des nanoparticules. L'isotype des anticorps dirigés contre le PEG mesuré est majoritairement des IgM. Les anticorps anti-PEG en circulation réduisent le temps de circulation de différentes architectures PEGylées, dont les nanoparticules et les liposomes. La présence des anticorps IgM anti-PEG altère les protéines retrouvées à la surface des nanoparticules. Des souris splénectomisées ont été utilisées dans plusieurs expériences afin d'investiguer le rôle de la rate dans la production des anticorps anti-PEG après l'administration de nanoparticules. Chez les souris qui ne possédaient pas de rate, la production des anticorps anti-PEG était abrogée lorsque les nanoparticules étaient administrées par voie intraveineuse. Par voie d'injection sous-cutanée, une petite quantité d'anticorps anti-PEG était mesurée après sept jours dans le plasma des souris splénectomisées. Ensuite, deux modèles de souris avec une cascade du complément abrogé (CVF) ou absence (C3[exposant -/-]) ont été utilisés pour investiguer le rôle de la cascade du complément sur la production des anticorps anti-PEG. La cascade du complément semble impliquée dans la production des anticorps anti-PEG lorsque les nanoparticules sont administrées par voie intraveineuse. Lors d'une injection sous-cutanée des nanoparticules, la concentration IgM anti-PEG mesurée après 7 jours est similaire entre le groupe témoin et le groupe ne possédant pas de cascade du complément active. Finalement, des études en cytométrie en Flux avec des nanoparticules fluorescente administrée à des souris avec et sans complément nous ont permis d'identifier l'importance des protéines du complément sur l'interaction entre les cellules immunitaires et les nanoparticules. Les protéines du complément à la surface des nanoparticules semblent favoriser leur interaction avec les lymphocytes B splénique. Les protéines du complément ne semblent pas changer l'interaction des nanoparticules avec les cellules B des ganglions lymphatiques après une administration sous-cutanée. Ces résultats suggèrent que le différent mécanisme est impliqué lors de la production des anticorps anti-PEG, selon la route d'administration des nanoparticules. Des études supplémentaires sont requises pour comprendre les effets de ces anticorps anti-PEG en clinique. / Polyethylene glycol (PEG) is a polymer recognized as generally safe (GRAS) and its use is widespread in several fields. This polymer can be conjugated to proteins or pharmaceutical carriers carrying drugs to prolong circulation time in the body. Although PEG has been considered as non-immunogenic, recent studies show that approximately 20-70% of the population have antibodies that can recognize the polymer. Through a neutralizing effect, these anti-PEG antibodies could reduce the effectiveness and circulation time of certain PEGylated drugs. This work focuses on understanding the mechanisms behind the anti-PEG immune response of pharmaceutical vectors and more particularly of polymer nanoparticles composed of PLGA-PEG. Our hypothesis is that these polymer nanoparticles cause the production of anti-PEG antibodies to initiate with the help of the complement cascade. During this work, anti-PEG antibodies were measured after 7 days, regardless of the route of administration of the nanoparticles. The isotype of the antibodies directed against the PEG was IgM. Anti-PEG antibodies in circulation reduce the circulation time of different PEGylated architectures including nanoparticles and liposomes. The presence of anti-PEG IgM antibodies alters the proteins found on the surface of the nanoparticles. In addition, anti-PEG antibodies promote the activation of the complement cascade which helps eliminate subsequent doses of nanoparticles. Splenectomized mice have been used in several experiments to investigate the role of the spleen in the production of anti-PEG antibodies after the administration of nanoparticles. In mice without a spleen, the production of anti-PEG antibodies was abrogated when the nanoparticles were administered intravenously. By subcutaneous injection, a small quantity of anti-PEG antibodies were measured after seven days in the plasma of splenectomized mice. Two mouse models with an abrogated complement cascade (CVF) or absence (C3[superscript -/-]) were used to investigate the role of the complement cascade on the production of anti-PEG antibodies. The complement cascade seems to be involved in the production of anti-PEG antibodies when the nanoparticles are administered intravenously. During a subcutaneous injection of the nanoparticles, the anti-PEG IgM concentration measured after 7 days is similar between the control group and the group without an active complement cascade. Finally, Flow cytometry studies with fluorescent nanoparticles administered to mice with and without complement allowed us to identify the importance of complement proteins on the interaction between immune cells and nanoparticles. Complement proteins on the surface of the nanoparticles appear to promote their interaction with splenic B lymphocytes. The complement deposited on the nanoparticles does not appear to direct their interaction with the B cells of the lymph nodes after subcutaneous administration. These results suggest that different mechanisms are involved in the production of anti-PEG antibodies, depending on the route of administration of the nanoparticles. Further studies are required to understand the effects of these anti-PEG antibodies in the clinic.

Les nanotechnologies appliquées à la médecine, et plus particulièrement à l’oncologie, ont permis le développement d’une nouvelle classe d’entités, appelées communément nanomédicaments ou médicaments vectorisés. Ce projet de recherche a pour objectif d’encapsuler du docétaxel dans un vecteur lipidique unilamellaire furtif, puis de greffer en surface le trastuzumab afin d’en améliorer le profil pharmacocinétique, notamment en optimisant la spécificité de la phase de distribution. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible de développer un immunoliposome furtif de 140 nm encapsulant 90 % de docétaxel avec un taux de greffage de trastuzumab de 30 %. L’approche en cytométrie de flux que nous avons développée et appliquée a permis une quantification absolue du nombre d’anticorps présents en surface. In vitro, un double screening en culture 2D et en sphéroïde 3D a démontré la supériorité antiproliférative de l’immunoliposome comparativement à tous les autres traitements, indépendamment du statut Her2 des lignées étudiées. Les études in vivo ont confirmé cette supériorité, y compris comparativement au T-DM1, l’antibody-drug conjugate de référence dans la pathologie. Les études de biodistribution ont montré que l’accumulation de notre forme vectorielle dépendait de la taille et du degré de vascularisation des tumeurs, plus que statut Her2 tumoral. En conclusion, nous avons démontré l’intérêt thérapeutique de développer des formes vectorielles dans la prise en charge du cancer du sein, comparativement aux traitements standard. Une optimisation de la phase de distribution explique la supériorité antiproliférative obtenue avec l’immunoliposome. / The application of nanotechnology in medicine, especially oncology, has allowed for the development of a new class of entities, commonly called nanomedicine or vectorized medicine.This research project aims to encapsulate docetaxel in a stealthy, unilamellar, lipidic vector, then graft trastuzumab onto its surface to improve its pharmacokinetic profile, specifically by optimizing the specificity of the distribution phase.The results show that it is possible to develop a stealthy immunoliposome of 140 nm encapsulating 90% docetaxel and a trastuzumab grafting rate of 30 %. The flow cytometry approach that we developed and applied allowed for an absolute quantification of the number of antibodies present on the surface. In vitro, a double screening in 2D culture and in 3D spheroid showed the antiproliferative superiority of the immunoliposome compared to all the other treatments, regardless of the Her2 status in the cells studied. In vivo studies have confirmed said superiority compared to T-DM1; the benchmark antibody-drug conjugate for this pathology. Biodistribution studies have shown that the accumulation of our vector depends moreover on the size and degree of tumor vascularization than its Her2 status. In conclusion, we have demonstrated the therapeutic value of developing vector forms in the management of breast cancer therapy compared to standard treatments. The optimization of the distribution phase explains the antiproliferative superiority obtained by using the immunoliposome.

L’angiogenèse tumorale réfère à la capacité d’une tumeur à stimuler la formation de nouveaux vaisseaux sanguins. L’induction de l’angiogenèse dépend notamment de la présence de certains récepteurs exprimés à la surface de cellules endothéliales et tumorales. Ces récepteurs sont impliqués dans la formation de nouveaux vaisseaux sanguins mais aussi dans la progression des tumeurs, l’invasion locale des tissus avoisinants et la formation de métastases. Nous nous intéressons ici essentiellement aux récepteurs de type intégrines (et surtout l’intégrine αvß3) ou neuropiline-1 (NRP1).Les intégrines sont des récepteurs transmembranaires décrits initialement parce qu’ils permettent aux cellules d’adhérer et de se déplacer sur la matrice extracellulaire (ECM) en particulier parce qu’elles se lient à la séquence tri-peptidique RGD, mais elles interviennent aussi directement et indirectement dans les échanges biochimiques entre les cellules et leur micro-environnement. NRP1 est un corécepteur du VEGF (vascular endothelial growth factor). Pour cela, NRP1 s’associe au récepteur principal VEGFR2, surexprimé dans les tumeurs et dont l’expression a été corrélée avec l’angiogenèse. Il est très important de noter que l’intégrine αvß3 et le récepteur NRP1 peuvent interagir physiquement et fonctionnellement. Notre hypothèse de travail est alors qu’en bloquant la fonction de ces 2 récepteurs nous pourrons augmenter l’efficacité des thérapies anti-angiogèniques anti-tumorales.Nous avons généré des nanoparticules de silices bifonctionnelles car elles présentent à leur surface à la fois des peptides cycliques cRGD ciblant l’intégrine αvß3 et ATWLPPR qui cible NRP1. Nous avons testé des ratio différents de peptides cRGD et ATWLPPR (100/0, 25/75, 50,75/50/25 et 0/100), et nous avons aussi optimisé le nombre total de ces ligands/NP. Nous avons analysé l’affinité des différentes molécules, leur sélectivité et activité biologique ainsi que leurs propriétés anti-angiogéniques et anti-tumorale en particulier sur des cellules endothéliales humaines (ECs) et sur des lignées de cellules tumorales.Notre étude suggère que ces nanoparticules bifonctionnelles présentent un grand potentiel si leur composition est soigneusement définie. En particulier, elles peuvent présenter des activités extrêmement variables voir opposées suivant la nature et composition de leur surface et de la concentration à laquelle les NPs sont utilisées. En effet, à « haute concentration » en NP, ce qui correspond en fait à une faible concentration en peptides, nous montrons qu’il est possible d’obtenir un effet « pro-angiogénique » lié au recrutement d’autres récepteurs de facteurs de croissance (IGF1-R/IR) qui a priori ne devaient pas intervenir dans notre système, mais semblent pouvoir être fonctionnellement liés aux intégrines et/ou NRP1 en réponse aux particules présentant les 2 peptides cRGD et ATWLPPR. Ces résultats contribuent à expliquer certains échecs thérapeutiques des agents anti-angiogéniques mais nous permettent aussi de proposer des solutions attractives pour la définitions nouveaux agents thérapeutiques. / Tumor angiogenesis refers to the ability of a tumor to stimulate new blood vessels formation. Angiogenesis strongly depends on cell surface receptors and integrin activation to promote tumor progression, local invasion and dissemination. Integrins (especially integrin αvß3) and Neuropilin-1 (NRP1), a co-receptor of VEGFR2, are over-expressed in the tumor vasculature and by tumor cells, and their expression has been correlated with tumor progression. Importantly, integrin αvß3 and NRP1 can physically and functionally interact.The use of dual targeted drugs that block the integrin αvß3 and the NRP1 receptor simultaneously is thus expected to augment the anti-angiogenic and anti-tumor activities, as compared to each “mono-therapy” separately. During my PhD studies, in collaboration with the group of chemists leaded by Pr G. Subra, we generated different batches of bifunctional cRGD/ATWLPPR peptides coated nanoparticles (NPs) targeting integrin αvß3 and NRP1 simultaneously. We introduced different ratio of cRGD and ATWLPPR peptides (100/0, 25/75, 50/50, 75/25 and 0/100), and we also increased the amount of total ligands on the surface of the silica NPs. Systematic studies including molecules' affinity, selectivity, and biological activity as well as anti-angiogenic and anti-tumoral effects were performed on primary endothelial cells (ECs), immortalized ECs and several tumor cells. NPs properties were also evaluated in vivo in a mouse tumor model. We report here that these NPs present highly variable biological activities in ECs and tumor cells depending on the peptides ratio, surface coating of the NPs and on their concentration. In particular, “elevated” concentrations of NPs, which actually correspond to usual concentrations of peptides, can activate an unexpected IGF1-R/IR-AKT signaling pathway that could lead to a counter-productive pro-angiogenic activity (agonist instead of antagonist). This could mimic the conflicting results obtained in clinical trials using Cilengitide, an RGD-presenting peptide, and thus provide new areas of investigations and new possibilities to design active nano-drugs.This work can thus participate to the general effort of our research community to design efficient targeted anti-angiogenic therapies that could be applied in particular for cancer treatment.

Cette thèse porte sur la conception, la modélisation et le prototypage de nanorobots pour des applications en nanomédecine, en biologie et en nanosystèmes. Principalement deux approches ont été proposées. La première approche implique la modélisation multi-échelle (la mécanique quantique, dynamique moléculaire, mécanique continue) couplée aux techniques de réalité virtuelle. La plateforme ainsi développée a permis en premier lieu, la caractérisation biomécanique de différents composants nanorobotiques : nanoressorts à base de protéines et de nanomoteurs moléculaires (ADN, nanotube de carbone, protéines). Le développement de la plateforme a permis ensuite d’assembler d’une manière interactive (retour visuel et retour de force) des structures nanorobotiques, d’optimiser leur structure et de caractériser leur comportement dynamique. Dans la seconde approche, une méthodologie originale de co-prototypage à été développée. Le co-prototypage permet en effet de coupler les expérimentations et les simulations afin d’avoir un modèle réaliste. Ceci permet de mettre à jour les paramètres de simulation et de réajuster le processus de fabrication après optimisation. D’autre part, les simulations permettent d’observer des phénomènes à l’échelle nanométrique qui sont jusque là inaccessibles par expérimentation. Durant ce travail de thèse, j’ai développé des nouvelles structures nanorobotiques : des nanomachines à base d’ADN, un bio-nanoactionneur linéaire ainsi qu’une nanomachine rotative à base de nanotubes de carbone. Quelques uns de ces prototypes ont été fabriqués, optimisés et validés expérimentalement. / Nanorobots represent a nanoscale devices where proteins such as DNA, carbon nanotubes could act as motors, mechanical joints, transmission elements, or sensors. When these different components were assembled together they can form nanorobots with multi-degree-of-freedom, able to apply forces and manipulate objects in the nanoscale world. In this work, we investigated the design, assembly, simulation, and prototyping of biological and artificial molecular structures with the goal of implementing their internal nanoscale movements within nanorobotic systems in an optimized manner. The thesis focuses, mainly on two approaches. The first one involves multiscale modeling tools (quantum mechanics, molecular dynamics, continuum mechanics) coupled to virtual reality advanced techniques. In order to design and evaluate the characteristics of molecular robots, we proposed interactive nanophysics-based simulation which permits manipulation of molecules, proteins and engineered materials in molecular dynamics simulations with real-time force feedback and graphical display. The second approach uses a novel co-prototyping methodology. The optimization of engineered nanorobotic device is coupled to experimental measurements and force field modeling algorithms.

Électroporation (EP) est une technique utilisée pour affecter l’intégrité des membranes cellulaires de plasma et/ou organites internes, conséquence de l’application d’un champ électrique d’énergie suffisante, dépendant de son intensité et sa durée. Il a été montré in- directement par de nombreuses études expérimentales et in-silico que ce phénomène résulte de la perméabilisation de la membrane par la formation pores aqueux. L’EP permet ainsi la vectorisation de molécules normalement non perméantes. Les applications de l’EP vont de l’électrochimiothérapie, à la vaccination à ADN. Les impulsions électriques utilisées dans l’EP sont classées en deux familles: Les msPEF dont la longueur des impulsions est de l’ordre de la microseconde et l’amplitude de l’ordre de quelques kV/cm. Ils affectent principalement la membrane cellulaire plasmique. Les nsPEFs d’intensité de MV/m de durée de l’ordre de la nanoseconde, ceux eux sont capables de perméabiliser organites internes ainsi que la membrane plasmique et présentent l’avantage d’éviter les effets thermiques indésirables. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) qui permettent la description atomique, de la structure de la membrane et de son interaction avec la solution environnante, constituent un appui précieux aux résultats expérimentaux. Plusieurs études utilisant la DM été consacrées à décrire certains des aspects de l’EP (par exemple la formation de pores, leur évolution, le rôle de l’eau et des groupes de tête lipidiques, ...) néanmoins des questions en suspens restent inexplorées : • Comment la composition de la membrane affecte le seuil d’EP ? • Quelles sont la morphologie, la taille et la conductance des pores formés ? • Quels sont le mécanisme et l’échelle de temps de translocation de petites molécules à travers ces électropores ? • Y-a-t-il une différence notoire entre les effets des msPEFs et des nsPEFs ? Dans le cadre de ce travail, en utilisant des simulations de DM nous avons abordé ces questions pertinentes. Nous avons quantifié le seuil d’EP de bicouches lipidiques contenant des concentrations croissantes de cholestérol utilisant des protocoles qui miment les deux modes types de pulses nsPEFs et msPEFs. Les résultats obtenus indiquent que dans les deux cas les modèles de membranes à concentration en cholestérol croissante, nécessitent un voltage transmembranaire plus élevé pour perméabiliser la bicouche lipidique. Nous avons développé une procédure, mimant l’effet des msPEFs en adéquation avec les expériences, qui permet de stabiliser les voltages appliqués à la membrane suffisamment longtemps pour déterminer la dimension des pores, leur conductance et sélectivité ionique. Nous avons utilisé le même protocole pour étudier le transport de petites molécules chargées, utilisés dans l’administration de médicaments, et comparé nos résultats avec des études similaires menées dans des conditions nsPEFs. Nous avons montré que le transport assisté par EP a lieu dans la même échelle de temps (ns) que sous nsPEFs. Bien que les nsPEF ont l’avantage d’affecter les membranes cellulaires et celles des organites internes, la possibilité d’exploiter de telles impulsions pour la vectorisation de médicaments est encore en cours d’étude, car la capacité à fournir de manière fiable à des échantillons «biologiques» ces impulsions intenses ultra-courtes n’est pas trivial. Une attention particulière doit être accordée à la conception de micro-chambres afin de réaliser un dispositif à large bande passante afin de transmettre sans atténuation et distorsion les pulses ns, qui sont caractérisés par une grandes composante spectrale, jusqu’à GHz. Une partie importante de cette thèse mené en cotutelle, a été consacrée à la conception théorique (utilisant la Méthode des éléments Finis) d’un dispositif d’exposition, basé sur des systèmes de propagations de micro-ondes, capable de délivrer des impulsions aussi courtes que la ns avec des temps de monté et de chute de 0,5 ns / Electroporation (EP) is a technique used to affect the integrity of plasma cell membranes and/or internal organelles, consequence of the application of an external pulsed electric field of sufficient energy content, tuned by its strength and duration. It is proven by extensive indirect experimental and in silico evidences that this phenomenon results in the permeabilization of membrane structures by aqueous pores, allowing the transport of poorly- or non-permeant molecules, e.g. salts, ions, genetic material, and any other small solutes present. Applications of the techniques range from electrochemoterapy DNA vaccination and gene regulation. The electric pulses used in EP are categorized in two main families: msPEF, the length of the pulses is in the µs- ms scale and the amplitude in the order of kV/cm, their effect takes place mainly at the plasma cell membrane of cells; nsPEFs, higher magnitude (MV/m) over ns time scale, they act are able to permeabilize internal organelles as well as the plasma cell membrane, presenting the advantage of avoiding undesired thermal effects. Molecular dynamics simulations allow the microscopic description, with atomic resolution, of the membrane structure and its interaction with the surrounding solution, providing a substantial support to experimental findings. A considerable amount of work have been devoted to describe some of the aspects of EP using MD, (e.g. the pore formation, its evolution and reseal, the role of water and of lipid headgroups, …) nevertheless outstanding questions remain unexplored: • How does the composition of the bilayer affect the EP threshold? • What are the morphology, size and conductance of pores formed? • What are the mechanisms and time scales of translocation of small molecules through the electropores? • Is there any difference when modeling nsPEFs and msPEFs? As part of the present work, using MD simulations and comparing our results to other findings from our group, we addressed some relevant questions. We quantified the EP threshold of libid bilayes for the increasing concentration of cholesterol (0, 20, 30, 50 mol %) when the two protocol to model nsPEFs and msPEFs are exploited. The results obtained applying the two approaches indicate that in both cases an increase in cholesterol concentration requires a higher transmembrane voltage to porate the membrane bilayer. We developed a procedure, mimicking msPEFs, to stabilize electropores under different transmembrane voltages in mechanical condition similar to experiments for a time long enough to determine the pore dimension, its conductance and selectivity to ion species. We employed the same method to investigate the transport of small charged molecules, used in drug delivery, comparing our findings with similar studies conducted under nsPEFs conditions with the attempt to rationalize the molecular uptake. Interestingly we found that that the dynamic of the transport process takes place in the same time scale (nanosecond) that for nsPEFs. Despite the fact that nsPEFs have the advantage to affect both cell membranes and internal organelles and to further reduce thermal effects, the possibility to exploit nsPEFs for drug delivery is an ongoing research since the ability to reliably deliver to biological loads these ultra-short intense pulses is not trivial. Particular attention must be paid in the design of microchambers to realize a broadband devices to transmit without attenuation and distortion nsPEF, which exhibit large spectral components, i.e. spanning from MHz up to GHz. An important part of the current work has been devoted to the design (with Finite Element Method) of an exposure device, based on microwave propagating systems, able to deliver pulses down to 1 ns with rise and fall time of 0.5 ns