CXCR3 appartient à la famille des récepteurs couplés aux protéines G. Avec ses ligands, les chimiokines CXC, CXCR3 régule diverses fonctions biologiques et participe à de nombreux processus comme l’angiogenèse, l’inflammation et le cancer. La complexité de CXCR3 provient de son épissage alternatif qui conduit à des isoformes distinctes. CXCR3-A est reconnu pour promouvoir la prolifération, la survie et la migration cellulaire tandis que CXCR3-B induit des signaux inhibiteurs de la croissance cellulaire.Le modèle cellulaire U87, dérivé d’un glioblastome humain, a été utilisé afin d’étudier les mécanismes moléculaires régulant l'activité et le trafic des isoformes de CXCR3 dans les cellules tumorales. CXCR3 est le récepteur fonctionnel de l’activité angiostatique de CXCL4 et son variant CXCL4L1. En fonction de leur état d'oligomérisation, ces deux chimiokines ont des interactions préférentielles avec les isoformes de CXCR3. L’activation de CXCR3-A conduit à un important changement conformationnel et induit des voies de signalisation pro-migratoires. L’étude du trafic souligne l’importance de la clathrine et du réseau Trans-Golgi dans l’internalisation et le recyclage de CXCR3-A. Pour la première fois, LRP-1 a été identifié comme nouveau partenaire de CXCR3-A. LRP1 n’est pas seulement reconnu comme un récepteur de l’endocytose mais également comme une protéine de la signalisation. LRP1 interagit avec CXCR3-A au niveau extracellulaire et régule sa conformation, son trafic et son activité pro-tumorale.L'utilisation de modèles cellulaires d'adénocarcinome pancréatique a permis de caractériser CXCL4L1 comme facteur pro-tumoral, via l’activation de CXCR3-A dans les cellules tumorales. CXCL4L1 apparait pour la première fois comme un biomarqueur important dans la progression du cancer pancréatique.Dans les différents modèles, les signalisations chimiokines CXC/CXCR3-A induisent une augmentation des propriétés invasives tumorales. Au niveau moléculaire, l’association de CXCR3 à diverses protéines (ligands et partenaires) est essentielle pour réguler les fonctions biologiques de la cellule tumorale.Les nanoparticules sont désormais connues comme une nouvelle génération d'anticorps thérapeutiques présentant de nombreux avantages par rapport aux anticorps conventionnels. Ainsi, le développement de nanoparticules associées à des inhibiteurs de CXCR3 apparaît comme une nouvelle stratégie thérapeutique anti-tumorale prometteuse. / CXCR3 belongs to the G-protein-coupled receptors family. With its ligands, the CXC chemokines, CXCR3 regulates several biological functions and plays important roles in angiogenesis, inflammation and cancer. The interaction with CXCR3 is rather complex due to the presence of distinct spliced isoforms. CXCR3-A is known to promote cell proliferation, survival, and migration while CXCR3-B leads to cell growth inhibition.The human glioblastoma cell model, U87, was used to study the molecular mechanisms regulating the activity and trafficking of CXCR3 isoforms in tumor cells. CXCR3 has been reported as the functional receptor for the angiostatic activity of CXCL4 and its variant CXCL4L1. Depending on their oligomerization status, these two chemokines present preferential interaction with CXCR3 isoforms. Activation of CXCR3-A leads to an important conformational change and induces pro-migratory signaling pathways. Studies on the vesicular trafficking highlight the importance of the clathrin and the Trans-Golgi network for both internalization and recycling of CXCR3-A. For the first time, LRP-1 is identified as a new partner of CXCR3-A. LRP1 is not only recognized as an endocytic receptor but also as a signaling protein. LRP1 interacts with CXCR3-A via its extracellular α subunit and regulates CXCR3-A conformation, trafficking and pro-tumoral activity.Pancreatic ductal adenocarcinoma cell models were used to characterize CXCL4L1 as a pro-tumoral factor that activates CXCR3-A in tumor cells. For the first time, CXCL4L1 appears as an important biomarker for pancreatic cancer progression.In the different cell models, signaling pathways of CXC chemokine/CXCR3-A lead to an increase in tumor invasive properties. At the molecular level, the association of CXCR3 with various proteins (ligands and partners) is essential to regulate tumor cell biological functions.The nanoparticles are now known as a new generation of therapeutic antibodies with many advantages over conventional antibodies. Thus, the development of nanoparticles associated to CXCR3 inhibitors appears as a new promising pharmacological targeted strategy to treat cancer.

Les nanoparticules d'argent sont de plus en plus utilisées dans les objets de consommation courante ainsi que dans les dispositifs médicaux pour leur activité biocide, qui est due au relargage d'ions Ag(I) au cours du temps. Le recul sur ces nano-objets et en particulier sur leur innocuité n'est toujours pas suffisant et les études sur leur transformation et leur impact in vivo sont sujets à d’intenses recherches. En effet, le devenir dans l’organisme des macro- et micro-matériaux étudiés classiquement n’est pas le même que celles des nanomatériaux. Les nanoparticules d’argent illustrent bien cette problématique : l’argent soluble injecté par voie intraveineuse est éliminé plus rapidement que la même quantité d’argent injectée sous forme nanoparticulaire. De plus, la concentration en argent retrouvée dans le sang et les organes est dix fois supérieure lorsque les nanoparticules d’argent sont injectées plutôt qu’ingérées. C'est pourquoi le développement de produits implantatoires qui se retrouvent donc en contact direct avec l’organisme, et qui contiennent des nanoparticules d’argent doit prendre en compte les risques associés, ce qui peut se faire par une approche Safer-by-design.Une des composantes principales du développement Safer-by-design concerne la fonctionnalisation des nano-objets. L’affinité des thiolates pour l’ion Ag(I) étant très forte, des ligands thiolés pourraient donc constituer une piste pour la fonctionnalisation des nanoparticules d’argent. Néanmoins, il est connu que les molécules thiolées conduisent à différents comportements allant de la dissolution de la nanoparticule d’argent en ions Ag(I) à la simple passivation de la surface de la nanoparticule ce qui peut entrainer la perte de son activité biocide.Ainsi, l’Ecoconception de Nouveaux Agents Biocides à base de Nanoparticules d’Argent à Enrobage Bio-inspiré avait pour objectif principal de poser les bases conceptuelles du développement d’un agent biocide Safer-by-design constitué de nanoparticules d’argent et de molécules thiolées en se positionnant à l’interface de plusieurs disciplines.Le développement de ce projet a nécessité d’étudier la réactivité de diverses molécules biologiques ou bio-inspirées thiolées avec les nanoparticules d’argent. Ainsi, nous avons mis en évidence l’importance de la pré-organisation architecturale des biomolécules dans la cinétique de dissolution, ainsi que le nombre de thiols libres dans la molécule. Dans le cas de composés induisant la dissolution des nanoparticules, sa cinétique augmente avec le nombre de thiols libres présents sur la molécule, et avec la pré-organisation du site de liaison du métal. Le projet principal de cette thèse a ensuite mené à la preuve de concept recherchée, avec le développement d’un nouvel agent biocide composé de nanoparticules d’argents pontées entre elles par un ligand thiolé tripode symétrique qui est le mime chimique d’un site de liaison d’une métallothionéine. Ces assemblages de nanoparticules se sont montrés actifs contre les bactéries (E. coli) et moins toxiques sur les cellules eucaryotes (HepG2), malgré une entrée dans les cellules similaire. Enfin, un criblage a également été réalisé avec des polyéthylèneglycols possédant un à huit thiols et des longueurs de polymères variables dans le but d’essayer de rationaliser les différences de comportement des nanoparticules d’argent en présence des molécules thiolées. Ce travail, a conduit à l’observation des comportements très variés qui vont permettre d’explorer de nouvelles voies de développements de biocides à base d’assemblages de nanoparticules médiés par des liaisons thiol – Ag(I).L’ensemble de ce travail de thèse a donc permis à la fois un travail très fondamental sur la réactivité des thiols vis-à-vis des atomes d’argent à la surface des nanoparticules et au développement de produits à potentiel applicatif, les assemblages de nanoparticules d’argent qui sont des biocides Safer-by-design. / Silver nanoparticles are increasingly used in everyday consumer goods as well as in medical devices for their biocidal activity, which is due to the release of Ag(I) ions over time. The hindsight on these nano-objects and, in particular, on their safety is still not sufficient and studies on their transformation and their impact in vivo is currently an intense research field. Indeed, the fate in the body of macro- and micro-materials studied classically is not the same as for nanomaterials. The case of the silver nanoparticles illustrates this problem: the soluble silver injected intravenously is eliminated faster than the same amount of silver injected in nanoparticular form. Moreover, the concentration of silver found in the bloodstream and organs is ten times higher when silver nanoparticles are injected rather than ingested. The development of silver nanoparticle-containing implanted devices, that get in direct contact with the body, must thus take into account the related risks. A Safer-by-design approach could be a way to solve this issue.One of the main components of Safer-by-design development is the functionalization of nano-objects. The affinity of the thiolates for Ag(I) ions is very high, which would make thiolated ligands a good tool for silver nanoparticle functionalization. However, it is known that the thiolated molecules lead to different behaviors, ranging from the dissolution of silver nanoparticles into Ag(I) ions to the simple passivation of the surface of the nanoparticles, which leads to the loss of their biocidal activity.The Ecodesign of New Biocidal Agents based on Silver Nanoparticles and Bio-inspired Coating is therefore at the interface of several research areas and its main objective was to lay the conceptual foundations for the development of a Safer-by-design biocidal agent based on the interaction between silver nanoparticles and thiolated molecules.The development of this project required to study the reactivity of various biological or bio-inspired thiolated molecules with silver nanoparticles. First of all, we have highlighted the importance of the architectural pre-organization of biomolecules in the dissolution kinetics, as well as the role of the number of free thiols in the molecule. In the case of molecules inducing the dissolution of the nanoparticles, its kinetics increases with the number of free thiols present on the molecule and with the pre-organization of the metal binding site. In a second time, the main project of this thesis was the development of a proof of concept of a new biocidal agent composed of silver nanoparticles bridged together via a thiolated ligand, which is the chemical mimic of one binding site of a metallothionein. These nanoparticle assemblies were active against bacteria (E. coli) and less toxic than silver nanoparticles on eukaryote cells (HepG2), despite a similar cellular entry. Finally, a screening was performed with polyethylene glycols having two to eight thiols and varying polymer lengths in an attempt to rationalize the differences in the behavior of silver nanoparticles in the presence of the thiolated molecules. This ongoing work leads to various behaviors that will enable to explore novel ways for the development of biocidal based on nanoparticles assemblies mediated by thiol – Ag(I) bonds.Therefore, this overall PhD work allows performing both very fundamental researches concerning the reactivity of thiols with surface silver atoms of the nanoparticles and the development of products with application potential, silver nanoparticle assemblies that are Safer-by-design biocide.

Cette thèse s’articule autour de systèmes innovants de délivrance d’anticancéreux pour répondre aux limitations actuelles des systèmes de type nanoparticules. Celles-ci permettent l’encapsulation d’anticancéreux pour prolonger leur temps de circulation dans le sang et diminuer leurs effets secondaires. Néanmoins les produits disponibles en cliniques ne permettent pas un contrôle précis de la libération de la substance active, ni un ciblage de la tumeur.Pour répondre à ces deux limitations, nous avons synthétisé un copolymère thermosensible ayant une température critique haute de solubilité (upper critical solution temperature, UCST) pour formuler des nanoparticules encapsulant physiquement la doxorubicine. Celles-ci permettent la libération contrôlée de la substance active par hyperthermie modérée à 43 °C. Nous avons étudié notre système d’un point de vue physico-chimique et évalué sa cytotoxicité in vitro sur des cellules de cancer de l’ovaire.Nous avons également opté pour une approche via couplage chimique entre une substance active, le paclitaxel, et le polymère afin de permettre l’administration par la voie sous-cutanée d’anticancéreux. En effet, cette voie d’administration est peu utilisée pour les anticancéreux car certains d’entre eux induisent une toxicité locale au site d’injection de type irritation / nécrose de la peau. Nous avons évalué si d’une part, l’approche prodrogue polymère hydrophile permet d’empêcher cette toxicité locale et si d’autre part, l’approche prodrogue polymère UCST permet d’obtenir des nanoparticules stables à température ambiante en vue d’une administration par la voie sous-cutanée. Une fois administrées, les nanoparticules deviennent hydrophiles par le changement de température, 34 °C dans le tissu sous-cutané, et peuvent donc diffuser librement jusqu’à atteindre la circulation sanguine. Nos travaux ont permis d’évaluer l’approche prodrogue polymère hydrophile in vivo chez la souris nude, ainsi que de décrire pour la première fois la synthèse de prodrogues polymères UCST. / This thesis focuses on innovative drug delivery systems of anticancer drugs to tackle the current limitations of formulations based on nanoparticles. These allow encapsulation of anticancer drugs to prolong their circulation time in the blood stream and to decrease side effects. Yet, nanoparticle formulations available in the clinic do not allow a precise control on the drug release nor targeting of the tumor.To overcome these hurdles, we have synthesized a thermoresponsive copolymer exhibiting an upper critical solution temperature (UCST) to formulate nanoparticles physically encapsulating doxorubicin. These allow controlled release of the anticancer drug by mild hyperthermia at 43 °C. We have studied our system from a physico-chemical point of view and evaluated its cytotoxicity in vitro on ovarian cancer cells.We have also tried a chemical coupling approach between the polymer and the anticancer drug, paclitaxel, to allow innocuous subcutaneous administration. In did, this route of administration is seldom used for anticancer drugs as some of them induce local toxicity at the site of injection in the form of skin irritation / necrosis. We assessed if a hydrophilic polymer prodrug approach allows innocuous subcutaneous administration of an irritant drug; and if a UCST polymer prodrug approach enables formation of stable nanoparticles at room temperature for subcutaneous administration. Once in the subcutaneous tissue at 34 °C, they would solubilize and become hydrophilic thus could freely diffuse to reach the blood circulation. We have managed to evaluate the hydrophilic polymer prodrug approach in vivo on nude mice and we are the first to describe the synthesis of UCST polymer prodrug.

L’arrivée des nanobiotechnologies en cancérologie apporte un nouveau souffle dans le traitement des cancers. Les travaux réalisés par Olivier Tillement et ses collaborateurs ont permis de montrer que les nanoparticules de gadolinium (GdBN) sont capables d’augmenter d’une part la qualité d’imagerie par résonance magnétique (IRM) mais également d’augmenter les effets des rayonnements ionisants (IR) sur les tumeurs. Des études précliniques sur des tumeurs de glioblastome greffées sur des souris C57BL/6 ont permis de révéler la capacité de la combinaison GdBN+IR à favoriser une régression tumorale. Néanmoins, les processus de morts cellulaires impliqués sont partiellement connus. Nos résultats ont permis de démontrer que ce traitement produit un stress oxydatif généré par une NADPH oxydase. Ce stress oxydatif déclenche un arrêt de la prolifération des cellules qui dépend de la protéine p21 et qui déclenche un processus de sénescence cellulaire et le cannibalisme des cellules irradiées. Le cannibalisme cellulaire ainsi déclenché aboutit à l’élimination de cellules internalisées. Ainsi, l’ensemble de ces résultats nous a permis de révéler que la combinaison des GdBN et de l’irradiation contribue à l’élimination de cellules cancéreuses en déclenchant la sénescence des cellules irradiées ainsi qu’un mécanisme original de mort cellulaire, le cannibalisme cellulaire. / The nanotechnology aims to help in the cancer treatment. Olivier Tillement and his colleagues have demonstrated that the Gadolinium-Based Nanoparticle (GdBN) can improve Magnetic Resonance Imaging (MRI) and increase radiotherapy effects. Pre-clinical studies show that the combination of GdBN with ionizing radiation is associated with tumor regression. However, the molecular and cellular processes involved this biological effect remain to be elucidated. Our results show that the combination of GdBN with IR generates oxidative stress through NADPH oxidase-dependent mechanisms, leads to cellular senescence and induces the cannibalistic activity of irradiated cells. Altogether, these results reveal that the combination of GdBN with IR promotes the killing of irradiated cells through the induction of cellular senescence and cellular cannibalism.

Les nanoparticules sont de plus en plus présentes dans notre quotidien et leur présence dans les organismes vivants est aujourd’hui avérée. Aussi, dans un milieu biologique, des protéines recouvrent spontanément la surface des nanoparticules pour former une couronne de protéines. Suivant la composition de cette couronne, une nanoparticule acquiert une "identité biologique" spécifique qui peut conditionner sa biodistribution ainsi que son éventuelle toxicité.De nombreuses zones d’ombre persistent quant à la connaissance des mécanismes d’adsorption des protéines sur les nanoparticules. Deux caractéristiques physico-chimiques, peu abordées jusqu’à maintenant, ont été étudiées ici : la taille des protéines et la présence de modification post-traductionnelles. Aussi, du fait de leur forte utilisation, nous nous sommes concentrés sur les nanoparticules de silice (SiNPs).L’adsorption d’hémoprotéines, de nature similaire mais de tailles différentes, sur des SiNPs, elles-mêmes de tailles différentes, a été étudiée. Les isothermes d’adsorption et les titrations calorimétriques ont notamment montré qu’il existe une relation entre la taille des protéines et leur affinité pour une surface de silice. Des différences plus fines ont aussi pu être observées selon la taille des nanoparticules. Une analyse structurale des protéines adsorbées a également été effectuée par dichroïsme circulaire et diffusion de neutrons aux petits angles. Les hémoprotéines apparaissent comme des protéines très structurées qui sont peu affectées par l’adsorption. Cependant, bien que la structure quaternaire soit conservée, des modifications structurales sont observables.Des études faites en présence de mélanges de protéines (extraits de protéines de levure) ainsi que de peptides de synthèse ont également montré le rôle important de la diméthylation asymétrique de l’arginine sur l’interaction protéines/SiNPs. L’utilisation d’un panel de techniques expérimentales et de simulations a permis de comprendre le mécanisme responsable de la forte affinité de peptides contenant cette méthylation particulière. De façon plus générale, nos travaux suggèrent que les modifications post-traductionnelles peuvent influencer notablement les interactions de biomolécules avec des surfaces minérales. / Nanoparticles are ubiquitous in our environment and their presence inside our bodies is now established. Besides, in a biological medium, nanoparticles are spontaneously covered by proteins that form the so-called protein corona. Depending on the corona composition, a nanoparticle will possess a specific "biological identity" conditioning its biodistribution as well as its potential toxicity.Despite being highly studied, many aspects of the protein adsorption mechanisms remain unknown. Here we particularly focused on the influence of two physicochemical characteristics, which had rarely been addressed: protein size and post-translational modifications. Also, because of their intensive use, we worked on silica nanoparticles (SiNPs).We studied the adsorption of hemoproteins on SiNPs, both of them having different sizes. Adsorption isotherms and calorimetry studies showed a relationship between the protein size and its affinity towards silica surfaces. Finer differences could also be observed by varying the SiNPs size. Additionally, structural analyses of adsorbed proteins were performed using circular dichroism and small-angle neutron scattering. The adsorption of hemoproteins, which are well-structured proteins, seems to have little effects on their structure. However, even though the quaternary structure is maintained, structural modifications can be seen.Using yeast protein extracts and synthetic peptides, the major role of arginine asymmetric dimethylation on proteins/SiNPs interaction could be established. The use of experimental and simulation techniques allowed us to understand the mechanism responsible for the high affinity of peptides having this peculiar methylation. As a whole, this work suggests that post-translational modifications can influence considerably the interactions between biomolecules and mineral surfaces.

Dans ce travail de thèse, nous avons formulé des émulsions de Pickering stables, biodégradables et biocompatibles stabilisées par des nanoparticules (NPs) de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA). De telles émulsions sont une alternative, potentiellement moins toxique et irritante, aux émulsions conventionnelles stabilisées par des tensioactifs synthétiques. Dans un premier temps, une étude physico-chimique approfondie de ces systèmes a permis de clarifier leurs structures (macroscopique, microscopique et interfaciale) ainsi que leurs mécanismes et leurs cinétiques de stabilisation. Des études de la contribution du polymère stabilisant les NPs et des caractéristiques du polymère de PLGA utilisé sur les propriétés des émulsions ont également été réalisées. Cela a permis de mieux identifier les paramètres physico-chimiques clés nécessaires à une bonne stabilisation. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au potentiel pharmaceutique de ces émulsions pour une application topique. Des substances actives (SA), utilisées pour le traitement du psoriasis, ont été encapsulées avec succès dans les NPs (ciclosporine A et tacrolimus) et les gouttelettes de l’émulsion (calcitriol). Cette étude est un premier pas vers l’utilisation de ces émulsions pour la co-encapsulation de deux SA dans la même formulation : une première dans les NPs et une seconde dans les gouttelettes d’huile. La co-encapsulation devrait permettre d’améliorer l’observance du patient et pourrait conduire à un effet synergique entre les deux SA. / In this thesis work, we formulated stable, biodegradable and biocompatible Pickering emulsions stabilized with nanoparticles (NPs) of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). Such emulsions are an alternative, potentially less toxic and irritating, to conventional emulsions stabilized with surfactants. Firstly, a thorough physico-chemical study of these systems was conducted in order to clarify their structures (macroscopic, microscopic and interfacial) as well as their mechanisms and kinetics of stabilization. Studies of the contribution of the polymer stabilizing the NPs and of the characteristics of the PLGA polymer on the properties of the emulsions were also carried out. This enabled a better identification of the physico-chemical key parameters responsible for a good stabilization. Secondly, we focused on the pharmaceutical potential of these emulsions for a topical application. Pharmaceutical active ingredients (API), used for the treatment of psoriasis, were successfully encapsulated in the NPs (cyclosporine A and tacrolimus) and the emulsion droplets (calcitriol). This study is a first step towards the use of these emulsions for the co-encapsulation of two API: one in the NPs and a second in the oil droplets. The co-encapsulation should improve patient compliance and could lead to a synergistic effect between the two API.

L’optique non linéaire est un outil très puissant pour l’étude des propriétés photoniques de molécules, de matériaux et de nanostructures. La taille et la forme des nanoparticules de métaux nobles (NMNPs) influencent fortement leurs propriétés optiques non linéaires du second ordre. Dans cette thèse, nous proposons une étude systématique de l'influence de la surface de nanoparticules sur leurs valeurs de première hyperpolarisabilité bêta. Des nanoparticules en poudre d’argent (de diamètres 7 nm) ainsi que des solutions colloïdales sur NMNPs -avec différentes compositions, tailles et formes -ont été synthétisés : des nanosphères d'argent (de diamètres 10 nm), des nanosphères d’or (de diamètres 3,0; 11,6; 15,8; 17,4; 20,0 et 43,0 nm), des nanobâtonnets d’or (de rapports d'aspect 1,47; 1,63 et 2,30), des nanobâtonnets d’argent (de rapports d'aspect 5,0; 6,3; 7,5; 8,2 et 9,7), des nanofleurs de platine (de diamètres 7,0; 8,0; 10,0; 14,0; 20,0 et 31,0 nm) ainsi que des nanoprismes d'or (d’une longueur de côtés de 47,5 à 112,3 nm). La diffusion harmonique de la lumière (HLS) à 1064 nm est utilisée pour étudier la génération du second harmonique des NMNPs colloïdaux, et d'en déduire leurs valeurs de première hyperpolarisabilité bêta. Pour les nanosphères et les nanorods étudiés dans ce travail, nous démontrons que leurs valeurs de bêta présentent une forte dépendance avec leur surface, qui est le paramètre dominant dans l'évolution des valeurs de bêta. Par ailleurs, la rugosité de la surface des particules ainsi que la forme des irrégularités des nanofleurs sont responsables de valeurs exceptionnellement élevées de bêta. En outre, nous démontrons expérimentalement, pour la première fois dans la littérature, que les valeurs de bêta des nanoprismes présentent non seulement une dépendance linéaire par rapport à la surface, mais sont également sensibles aux courbures des sommets du triangle. / Nonlinear optics is well known to be a highly powerful tool to investigate the photonic properties of molecules, materials and nanostructures. Size and shape of noble metal nanoparticles (NMNPs) strongly influence their second-order nonlinear optical properties. In this PhD thesis, we propose a systematic investigation of the influence of the nanoparticle surface area on their first hyperpolarizability beta values. Powdery-silver nanoparticles (diameters 7 nm) and colloidal solutions on NMNPs with different composition, sizes and shapes have been synthesized, i.e. silver nanospheres (diameters 10 nm), gold nanospheres (diameters 3.0; 11.6; 15.8; 17.4; 20.0 and 43 nm), gold nanorods (aspect ratios 1.47; 1.63 and 2.30), silver nanorods (aspect ratios 5.0; 6.3; 7.5; 8.2 and 9.7), platinum nanoflowers (diameters 7.0; 8.0; 10.0; 14.0; 20.0 and 31.0 nm) and gold nanoprisms (edge length tuned from 47.5 to 112.3 nm). Harmonic light scattering (HLS) at 1064 nm is used to investigate the second harmonic generation from colloidal NMNPs, and to infer their first hyperpolarizability tensor beta. For the nanospheres and nanorods investigated in this work, we demonstrate that their beta values display a strong dependence with their surface area, which is the dominant parameter in the evolution of beta values. Otherwise, particle surface corrugation and shape irregularities of nanoflowers are responsible for exceptionally high beta values. Moreover, we report for the first time in the literature that the beta values of nanoprisms display not only a linear dependence with respect to the surface area, but are also sensitive to the sharpness of the triangle vertices.

La miniaturisation des systèmes a montré qu’à l’échelle nanométrique, les matériaux possèdent des propriétés différentes de leur état massif. Aujourd'hui, la synthèse d’objets de taille nanométrique est en parfaite adéquation avec les systèmes biologiques pour des applications médicales. La possibilité pour les chimistes de combiner dans un même « nano-objet » différent types de matériaux aux propriétés complémentaires a ouvert la voie au développement de nanoparticules multifonctionnelles pour des applications biologiques. C’est dans ce domaine, en utilisant les propriétés remarquables des terres rares que le LPCML de l’Université de Lyon en collaboration avec le laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon a pu mettre au point des nanoparticules hybrides multifonctionnelles ayant une structure cœur/coquille en combinant un cœur inorganique d’oxyde de lanthanide protégé par une coquille organique composée de polysiloxanes. L’utilisation d’un cœur d’oxyde de terre rare permet de disposer à la fois d’outils de détection (optique avec Eu et Tb, IRM avec Gd, Dy et Ho ou en scintigraphie avec Ho) et d’agent thérapeutique avec Gd et Ho. Après avoir longuement étudié les propriétés comme agent de contraste et de thérapie par capture neutronique du gadolinium, nous nous sommes intéressés aux propriétés atomiques de l’holmium qui après irradiation neutronique émet des rayonnements  et - potentiellement intéressants pour un traitement en curiethérapie. Le travail de thèse présenté ici rend compte de l’étude réalisée d’une part sur les propriétés optiques et magnétiques de ces nanoparticules hybrides à base d’oxyde de terre rare et d’autre part sur les possibilités d’applications médicales avec l’utilisation d’holmium. / The everlasting search for the miniaturization of the processes has shown that at the nanometer scale materials exhibit different properties than from the bulk. Today, the synthesis of nano-sized objects is in perfect harmony with biological systems for medical applications. The opportunity for chemists to combine into a single nano-oject different kind of materials with complementary properties has opened the way for the development of multifunctional nanoparticles for biological applications. In this area, using the remarkable properties of rare earths, LPCML laboratory from Lyon University in collaboration with MATEIS laboratory from INSA-Lyon was able to develop multifunctional hybrid nanoparticles with a core/shell structure by combining an inorganic rare earth oxide core coated by a polysiloxane shell. The using of a lanthanide in the core enables the combination of detection tools (optical with Eu and Tb, MRI with Gd, Dy and Ho or scintigraphy with Ho) and therapeutic agents with Gd and Ho. After having studied the properties of gadolinium as a contrast and neutron capture therapeutic agent, we were interested in atomic properties of holmium after neutron irradiation which emits  and - radiations, potentially interesting for scintigraphic imaging and brachytherapy. The thesis presented here reports studies on the one hand on optical and magnetic properties of these hybrid nanoparticles and on the other hand the possibilities of medical applications by using holmium-based particles.

Au cours de ce travail, la génération de second harmonique optique des molécules biologiques a été étudiée. Cette technique optique non linéaire possède un caractère cohérent qui permet d’accéder aux propriétés de symétrie des molécules dont la taille est très inférieure aux longueurs d’onde optiques visibles utilisées et l’hyperpolarisabilité quadratique des acides aminés aromatiques a été mesurée en solution par diffusion non linéaire. L’hyperpolarisabilité des acides aminés non aromatiques a été obtenue de manière indirecte grâce à des mesures effectuées sur le collagène, une protéine ne contenant pas d’acide aminé aromatique. Le collagène possède en fait une très forte réponse non linéaire et fait l’objet d’études intenses en microscopie optique non linéaire. Par un modèle de sommation cohérente des champs harmoniques réémis, l’origine de la très forte efficacité non linéaire de cette protéine, liée à sa grande rigidité et à son organisation spatiale en triple hélice, a pu être obtenue. En parallèle, l’étude de plusieurs petits peptides synthétiques possédant de un à quatre tryptophanes a permis de comprendre la construction de la réponse optique non linéaire de ces objets à partir de motifs répétés. Par ailleurs, pour apporter des informations supplémentaires sur les nano systèmes, un nouveau montage expérimental a été développé. La grande sensibilité du montage a permis notamment d’atteindre la sensibilité d’une seule particule dans le volume sondé et de mettre en place un système de cartographie en trois dimensions par diffusion Hyper Rayleigh. La démonstration a été réalisée pour des nanoparticules métalliques uniques d’argent piégées dans une matrice de gélatine / This thesis presents an experimental study of second-harmonic generation of biological molecules. The coherent nature of this process allows obtaining the symmetries of molecules whose size is less than the wavelengths used. The hyperpolarizabilities of aromatic amino acids were measured in solution and the hyperpolarizability of non-aromatic amino acids was measured indirectly through measurements on the collagen molecule. Thus, all the building blocks of proteins are characterized. Among the biological molecules, collagen has a very strong non-linear response despite the absence of harmonophore. A model of coherent summation of the fields reissued to understand the origin of the very high non-linear efficiency from the rigidity and the spatial arrangement of amino acids in triple helix. In the same way, the study of several peptides with one to four tryptophans has enabled us to quantify the importance of conformation and the ionic environment of proteins in the nonlinear response. To provide additional information on nano systems, a new setup has been developed, combining two beams of excitation. Thus, the dipole and quadrupole radiation are differentiated to obtain the symmetry of molecular arrangements. Finally, the great sensitivity of the setup allows mapping in three dimensions, with the Hyper Rayleigh scattering, singles metal nanoparticles catch in a gelatin matrix.

La création de nouveaux matériaux, aux propriétés souhaitées, peut être obtenue par la combinaison de deux, trois ou plusieurs composants. L´évolution des matériaux, l´amélioration de leurs performances et l´extension de leurs fonctionnalités provoquent ainsi une augmentation de la variété des matériaux disponibles: c´est désormais l´usage qui détermine les propriétés du matériau et non l´inverse.<br />L´ajout de nanoparticules dans un polymère peut entraîner, quantitativement via la nanostructuration du polymère et qualitativement via leurs surfaces réactives, de nouvelles caractéristiques, qui ne se limitent pas à la simple addition des propriétés de chaque composant. Les interactions entre la surface des nanoparticules et les molécules du polymère peuvent être notamment à la base de la formation d´interphases, présentant des propriétés différentes de celles du polymère massif.<br />Afin de comprendre l´influence des nanoparticules dans les propriétés mécaniques, optiques et diélectriques du composite et plus particulièrement dans la création d´interphases, ce travail s´est intéressé à des systèmes composés de particules d´Al2O3 et de SiO2 dans une résine d´époxyde. De tels matériaux, a priori simples, affichent des résultats surprenants présentés dans cette thèse.