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.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est largement utilisée dans le milieu médical pour l'imagerie des tissus mous. Afin d'obtenir des images de meilleures qualité, les hôpitaux s'équipent d'IRM avec des champs de plus en plus intenses. Les agents de contraste à base de nanoparticules de fer sont très prometteurs pour l'imagerie à haut champ. En effet, au contraire des agents de contraste à base de gadolinium, ils ne perdent pas leur efficacité à haut champ. Plusieurs paramètres sont à prendre en compte afin d'obtenir des agents de contrastes plus efficaces en IRM : tout d'abord, les propriétés magnétiques des nanoparticules d'oxydes de fer. Celles-ci doivent avoir des aimantations importantes. Ensuite, les nanoparticules agrégées sont plus efficaces que les nanoparticules individuelles. Pour finir, la présence d'une couche plus ou moins imperméable à l'eau ainsi que son épaisseur vont influencer l'efficacité de l'agent de contraste. Ce mémoire de thèse présente la conception de nouveaux agents de contraste à base de nanoparticules d'oxyde de fer, depuis l'optimisation de la synthèse afin d'obtenir les nanoparticules ayant les propriétés magnétiques les plus intéressantes pour l'IRM, jusqu'à l'assemblage de ces nanoparticules afin d'améliorer leur efficacité en IRM. La première partie de ce travail est donc consacrée à la synthèse de nanoparticules d'oxyde de fer. Une approche organométallique a été choisit car elle permet d'obtenir des nanoparticules de taille contrôlée. Nous montrons dans cette partie que les conditions de synthèse ont une grande influence sur la structure cristalline des nanoparticules synthétisées ainsi que sur leurs propriétés magnétiques. La deuxième partie de ce travail est consacrée à la réalisation d'agrégats de nanoparticules de taille contrôlée. L'agrégation des nanoparticules est réalisée par effet solvophobe en ajoutant de l'eau sur une solution de nanoparticules hydrophobes dans le THF. Nous montrons dans cette partie que la cinétique d'agrégation dépend de la quantité d'eau ajoutée. Les agrégats sont ensuite stabilisés par l'ajout d'un polymère et nous montrons que la morphologie et la taille des agrégats après leur transfert dans l'eau dépendent de la masse molaire et de la nature du polymère utilisé. La troisième partie de ce travail est consacrée à l'évaluation de l'efficacité des agrégats de nanoparticules en tant qu'agent de contraste. Les agrégats testés se sont révélés prometteurs, et des efficacités supérieures à celles d'agents de contraste commerciaux ont été obtenues. / The magnetic resonance imaging (MRI) is widely used in the medical field for soft tissue imaging. In order to obtain images of better quality, hospitals equip themselves with MRI of higher fields. Iron-based nanoparticle contrast agents are very promising for imaging at high field. Indeed, unlike the gadolinium contrast agents, they do not lose their effeciency at high field. Several parameters must be taken into account to achieve more effective contrast agents in MRI: first, the magnetic properties of iron oxide nanoparticles. They must have significant magnetization. Then, aggregated nanoparticles are more effective than individual nanoparticles. Finally, the presence of a more or less hydrophylic layer and its thickness will influence the effeciencys of the contrast agent.This thesis presents the design of new contrast agents based on iron oxide nanoparticles assembly, since the optimization of the synthesis to obtain nanoparticles with the most interesting magnetic properties for MRI up assembly of nanoparticles to improve their effectiveness in MRI.The first part of this work is devoted to the synthesis of iron oxide nanoparticles. An organometallic approach was chosen because it allows to obtain nanoparticles of controlled size. We show in this part of the synthesis conditions have a great influence on the crystal structure of the synthesized nanoparticles and their magnetic properties.The second part of this work is dedicated to the production of controlled size aggregates of nanoparticles. The aggregation of nanoparticles is performed by solvophobic effect by adding water to a solution of hydrophobic nanoparticles in THF. We show in this section that the kinetics of aggregation depends on the amount of water added. The aggregates are then stabilized by the addition of a polymer and show that the morphology and size of the aggregates after transfer into the water depend on the molecular weight and nature of the polymer used.The third part of this work is devoted to the evaluation of the efficiency of nanoparticle aggregates as a contrast agent. The aggregates tested have shown promise, and efficiencies higher than commercial contrast agents were obtained.

Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse de composés biologiquement actifs. Dans un premier temps, nous avons étudié la déshydratation des macrocarpals A et B en vue d’obtenir un accès semi-synthétique rapide au macrocarpal G qui possède des propriétés anorexigèniques.Dans un second temps, nous avons développé une nouvelle synthèse énantiosélective du Lévomilnacipran qui est un antidépresseur qui vient de recevoir son autorisation de mise sur le marché aux Etats-Unis et au Canada. Cette synthèse de novo nous a permis d’obtenir le produit actif en neuf étapes avec un rendement global de 32 % et un excès énantiomérique conservé de 88 %. Nous avons ensuite mis au point une synthèse énantiosélective du 1,4-benzodioxane F17807. Cette synthèse en quatre étapes repose sur une étape clé de SNAr du (S)-isopropylidèneglycerol sur un fluorophénol. Cette étape permet d’introduire l’information chirale qui sera maintenue tout au long de la synthèse puisque le produit final est isolé avec un excès énantiomérique de 98 %.Nous avons également synthétisé des analogues du dérivé d’épipodophyllotoxine, F14512. Ces stéréoisomères sont des impuretés qui peuvent apparaitre dans la formulation finale du principe actif. Pour finir, nous avons imaginé de nouvelles formulations nanométriques du composé F14512 afin que celui-ci s’auto-assemble en micelle. Pour cela, quatre amphiphiles ont été synthétisés et les premiers tests montrent une internalisation préférentielle au niveau des tumeurs ou des cellules surexprimant le STP en fonction de leur fonctionnalisation. / This thesis deals with the synthesis of biologically active compounds. In the first chapter, we developed a semi-synthetic process for the exo-dehydration of macrocarpals A and B to get access to macrocarpal G which is a drug known for its anorexigenic activity. The second chapter is dealing with the enantioselective synthesis of the anti-depressive drug Levomilnacipran which has recently been approved by the FDA. This de novo synthesis was performed in 9 steps with an overall yield of 32 % and with an enantiomeric excess of 88 % which was maintained throughout our synthesis. In the third chapter we worked on a novel route for the enantioselective synthesis of the antipsychotic drug F17807. Our four-step synthesis of the 1,4-benzodioxan unit relied, as the key step, on the SNAr reaction of optically active (S)-isopropylidenglycerol on a properly functionalized fluorophenol and subsequent transformations. F17807 was produced with an ee of 98%.The fourth chapter reports our investigations for the synthesis of three stereoisomers of F14512 which is a targeted epipodophyllotoxin-based anticancer drug.Finally, new nanometric formulations of F14512 were designed in the fifth chapter. Four different drug-containing amphiphilic compounds were synthesized, assembled into the corresponding micelles, and evaluated as delivery systems. Preliminary in vitro and in vivo results indicate that the nanomicelles are highly promising for the targeting of tumors as visualized by fluorescence imaging.

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.

Cette thèse porte sur l’influence de la formulation de méthode de nanoprecipitation sur la taille et la structure interne de particules de dérivés squalénés. Ces composés introduits en 2006 par P. Couvreur sont basés sur l’association de principe actif au groupe squalène pour obtenir des propriétés d’auto-assemblage. L’augmentation de l’efficacité thérapeutique des nanoparticules par rapport au principe actif libre et la versatilité de fonctionnalisation ont ouvert une nouvelle stratégie pour les applications biomédicales. Cependant, la compréhension des mécanismes de formation des particules et de leur structure interne reste incomplète. Ces caractéristiques (taille et structure) pouvant influencer l’activité thérapeutique, il est crucial en vue d’une application médicale de déterminer les paramètres clef de la formation des nanoparticules. Dans cette thèse, les particules de squalène deoxycitidine ont été caractérisées par diffusion de neutrons et de rayons X aux petits angles et par cryo-microscopie électronique. Dans une première partie, nous avons identifié les paramètres optimums de formulation pour la nanoprecipitation. Dans une deuxième partie, l’étude de la nature du solvant organique sur la nanoprecipitation a mis en évidence pour certains solvants un mécanisme de nucléation croissance. Les effets de solvants sont cependant faibles par rapport à ce qui est classiquement observé pour les polymères. La troisième partie basée sur la cryo-TEM des particules oriente vers un mécanisme décrit pour les autres cubosomes d’attachements inter lamellaires pour les structures internes cubiques. Enfin, à l’issue de ce travail, nous avons étendu le protocole de nanoprecipitation au D α- Tocophérol Succinate en tentant de stabiliser la phase cristalline hexagonale présente dans le diagramme de phase binaire eau/ α-TOS. / This thesis investigates the influence of the formulation on the size and the internal structure of particles obtained by nanoprecipitation of squalene derivatives. These compounds were introduced in 2006 by P. Couvreur's team as part of a process called squalenoylation. Based on the association of drug with the squalene group it confers to these molecules self-assembling properties and it increased therapeutic efficacy. The particles are prepared by the solvent displacement method ("Ouzo" effect) and were characterized by neutron and X-ray scattering at small angles and by cryo-electron microscopy.We have highlighted the necessary preparation parameters for the reproducible preparation of cubosomes in a dimater of hundred nanometres. A study on the effect of the nature of the organic solvent on Squalene deoxycitidine has highlighted for some of them (isopropanol and DMSO) a nucleation mechanism that could be followed by growth (ethanol and acetone). TEM cryo-microscopy analysis suggests that cubic internal structures form by the mechanism of interlamellar attachments. Finally, we extended the nanoprecipitation method to Dα-Tocopherol Succinate, a derivative of Vitamin E

Les nanotechnologies sont en train de révolutionner le domaine biomédical et plus particulièrement l’ingénierie tissulaire. Elles permettent aujourd’hui, non seulement de réparer mais aussi de régénérer les tissus. Cette nanomédecine régénérative est particulièrement adaptée pour répondre aux besoins importants liés aux maladies dégénératives, au vieillissement et aux traumatismes.Mon travail de thèse s’inscrit dans ce contexte et concerne l’élaboration de biomatériaux nanofibreux et microporeux actifs pour la régénération osseuse. Notre objectif essentiel est de réaliser un implant biodégradable nanostructuré permettant d’accélérer la réparation du tissu osseux. Notre stratégie innovante repose non seulement sur la mise en oeuvre de membranes par électrospinning mais aussi sur leur fonctionnalisation par des facteurs de croissance. Cette fonctionnalisation originale a consisté à enrober ces principes actifs dans des nanoréservoirs en utilisant la technique multicouche de polyélectrolytes. Des membranes de polycaprolactone (PCL) nanofibreuses et microporeuses ont été obtenues par électrospinning puis les fibres ont été enrobées de réservoirs contenant le facteur ostéoinducteur, la protéine morphogénique osseuse 2 (BMP-2). L’induction osseuse engendrée par ces réservoirs actifs a été mise en évidence in vitro après culture d’ostéoblastes humains primaires. Des expérimentations in vivo chez la souris ont permis de confirmer l’accélération de la régénération osseuse grâce à ces nanoréservoirs.Cette même stratégie a été validée in vivo, chez la souris, en utilisant des membranes de collagène d’origine animal commerciales utilisées en clinique. L’activité de ces membranes fonctionnalisées par des nanoréservoirs de BMP-2 est en cours d’analyse dans le cadre de tests précliniques pour une application maxillofaciale et parodontale. / Nanobiotechnology enables the emergence of entirely new classes of bioactive devices intended for targeted intracellular delivery for more efficiency and less toxicities. Tissue engineering is an interdisciplinary field that has attempted to implement a variety of processing methods for synthetic and natural polymers to fabricate tissue and organ regeneration scaffolds.We report here the first demonstration of bone regeneration by using a strategy based on a synthetic nanostructured membrane. This electrospun membrane is manufactured by using a FDA approved polymer, PCL, (polycaprolactone), and functionalized with nanoreservoirs of a growth factor (BMP-2). Our expected outcomes are the development of clinical applications in the field of tissue engineering and nanomedecine and particularly in bone regeneration.We propose the development of smart nanostructured active implants for regenerative medicine. Our strategycombines a synthetic biodegradable electrospun nanofibrous membrane based on PCL and a bioactive growth factor (BMP-2) entrapped into polymer nanoreservoirs built atop the nanofibers according to the layer-by-layer technology. In this study, by using primary osteoblasts, we have shown the capacity of these sophisticated implants to promote and accelerate not only in vitro bone induction; but also, in vivo, bone formation (mouse model).We have also validated our strategy, in vivo (mouse model), by using an already used in the clinic collagen membrane (animal origin) to accelerate bone regeneration. This unique strategy is used to entrap, protect and stabilize the therapeutic agent into polymer coating acting as nanoreservoirs enrobing fibers of membranes.

Nanomedicine is based primarily on the concept of drug formulation through nanotechnology. The main idea is based on the encapsulation of an active ingredient by a nanoparticle (NP) to allow it to accumulate in tumors, to penetrate a biological barrier or to target a biological component. However, the performance of these formulations is disappointing, and, in recent years, it has been noticed that their effectiveness has not improved in the last decade. Some recent hypotheses highlight our lack of knowledge about the interactions of nanotechnologies with living organism and more particularly the lack of techniques to quantify these interactions. We therefore explore in this thesis the development and adaptation of a new microscopy technique, dynamic differential microscopy (DDM), to study the interactions of nanotechnologies with biological matrices. Two subjects are discussed, the first on the interactions of NPs with the proteins of biological fluids and, the second one, on the capacity of NPs to diffuse in interstitial tissues. First, we reviewed quantification techniques that were allowing the measurement of protein adsorption at the surface of NPs. We then identified fundamental questions of this adsorption, namely, if it was generally structured in monolayers or in multilayers and if it was reversible or irreversible. A meta-analysis, based on these questions, could therefore guide the development of the DDM technique to measure protein adsorption and therefore answer these questions. The methodology proposed for the quantification of protein adsorption is based on the measurement of the fluorescence signal which comes from fluorescently tagged proteins adsorbed on non-fluorescent NPs. This methodology was successfully applied for the quantification of the adsorption of lysozyme, albumin and serum proteins. The technique demonstrated that all the proteins studied adsorbed in monolayers and that their adsorption was reversible. An atypical adsorption mechanism which was also hypothesized in our meta-analysis was evidenced by DDM as well. Next, we applied DDM to study the diffusion of NPs in extracellular matrices. The contribution of deformability has been a parameter studied in terms of its relation to improve their diffusion within these confined environments. The diffusion of "soft" NPs was compared to that of "hard" NPs in an agarose gel, mimicking the extracellular matrix. Soft NPs have been observed to diffuse up to 100 times faster than hard NPs of the same size. Evaluation of the hydrodynamic and electrostatic contributions determined that the soft NPs shrinks in the gel, boosting their diffusion in comparison to hard NPs. In summary, this work highlights the important contribution of analytical techniques to the field of nanotechnologies applied to pharmacy and to our understanding of their interactions with living organisms. It is clear that the contribution of these techniques to our detailed understanding of nanomedicine properties has a direct relation with their clinical translation potential. / La nanomédecine repose essentiellement sur le développement de nouvelles formulations pour délivrer les médicaments à partir de nanotechnologies. L’idée principale est que l’encapsulation d’un principe actif par une nanoparticule (NP) pourrait lui permettre de s’accumuler dans des tumeurs, de pénétrer une barrière biologique ou bien pour cibler une composante biologique. Or, les performances de ces « nano-formulations » sont décevantes et, depuis quelques années, il a été remarqué que leur efficacité ne semble pas avoir évoluée dans le temps. De récentes hypothèses mettent de l’avant notre manque de connaissances vis-à-vis les interactions des nanotechnologies avec les éléments du vivant, et plus particulièrement, le manque de techniques robustes permettant de quantifier ces interactions. Nous proposons donc dans cette thèse le développement et l’adaptation d’une nouvelle technique de microscopie, la microscopie différentielle dynamique (DDM), pour étudier les interactions entre les nanotechnologies et les matrices biologiques. Deux thématiques seront abordées, la première, les interactions des NPs avec les protéines des fluides biologiques et, la seconde, la capacité des NPs à diffuser dans des tissus interstitiels. D’abord, nous avons revus les techniques de quantification permettant la mesure de l’adsorption de protéines à la surface des NPs. Nous avons ensuite identifié les questions fondamentales en lien avec cette adsorption. Deux phénomènes sont largement débattus dans la littérature, il s’agit de la formation de multicouches et de la réversibilité de l’adsorption. Une méta-analyse a donc permis d’orienter le développement de la technique par DDM pour mesurer l’adsorption de protéines, dans le but de répondre à ces interrogations. La méthodologie proposée pour la quantification de l’adsorption de protéines à la surface des NPs repose sur la mesure du signal de fluorescence de protéines fluorescentes adsorbées à la surface des NPs non fluorescentes. Cette méthodologie a été appliqué avec succès pour la quantification de l’adsorption des protéines du sérum, du lysozyme et de l’albumine. La technique a d’ailleurs permis de montrer que toutes les protéines étudiées s’adsorbaient en monocouches et que leur adsorption était réversible. Un mécanisme d’adsorption atypique a été mis en évidence dans le cadre de nos expériences et un parallèle a pu être fait avec certaines hypothèses émises avec notre méta-analyse. Ensuite, nous avons appliqué la DDM pour l’étude de la diffusion des NPs dans des matrices extracellulaires. La déformabilité des NPs a été étudiée afin de définir plus précisément sa contribution dans la diffusion à l’intérieur de milieux confinés. La diffusion des NPs « molles » a été comparée à celle des NPs « dures » dans un gel d’agarose, mimant la matrice extracellulaire. Les NPs molles ont été en mesure de diffuser jusqu’à 100 fois plus rapidement que les NPs dures de même taille. L’évaluation des contributions hydrodynamiques et électrostatiques a permis de déterminer que la taille des NPs molles, réduisant dans le gel, leur accordant un avantage diffusif par rapport aux NPs dures. En sommes, ces travaux ont permis de mettre en évidence l’importance des techniques analytiques pour l’étude des nanotechnologies appliquées à la médecine et pour affiner notre compréhension de leurs interactions avec le vivant. Il est clair que la contribution de ces techniques à l’avancement de nos connaissances théoriques relatives aux nanotechnologies aura un impact direct sur leurs chances d’effectuer une transition vers la clinique.