L’avènement des nanotechnologies engendre une exposition accrue de l’homme aux nanomatériaux, représentant un risque d’un genre nouveau. A cet égard un grand nombre de recherches porte sur l’étude de leur toxicité. Néanmoins, les questions de dégradation et transformation des nanoparticules dans l’organisme sont encore peu abordées. Des études effectuées au laboratoire ont montré qu’après injection de nanoparticules d’oxyde de fer in vivo, celles-ci sont confinées dans les lysosomes où elles sont dégradées. Une partie de mes travaux de thèse se sont concentrés sur une voie possible de métabolisation des produits de dégradation issus de nanoparticules d’oxydes de fer par l’intermédiaire d’une protéine intervenant dans le métabolisme du fer, la ferritine. Nous avons élaboré plusieurs stratégies afin de détecter et de suivre le transfert de métaux vers la ferritine. Ces travaux ont permis de mettre en évidence un processus de prise en charge des produits de dégradation des nanoparticules d’oxyde de fer à l’échelle moléculaire. Une seconde partie de mes travaux ont été consacré au suivi des produits issus de la dégradation des nanoparticules d’oxyde de fer à l’échelle de l’organisme. La haute concentration endogène en fer rendant impossible ce suivi, une stratégie consistant à marquer les nanoparticules de fer avec un isotope du fer, le 57Fe, a permis de suivre les dynamiques de circulation des produits de dégradation in vivo sur une période de six mois. Nous avons également effectué un double marquage des nanoparticules, du cœur inorganique ainsi que de leur enrobage afin de caractériser leur intégrité in vivo / With the advent of nanotechnology, the exposure of humans to nanomaterials increased, representing a risk of a new kind. Although the potential toxicity of such nanomaterials is extensively studied, their long term fate, biotransformation and degradation in the organism are still poorly understood. It was demonstrated earlier in the laboratory, that after intravenous injection, iron oxide nanoparticles undergo local intracellular degradation within lysosomes. In this context, we are interested in the fate of by products from iron oxide nanoparticles. Part of my thesis has focused on a possible pathway for metabolizing these degradation products through a protein involved in iron metabolism, the ferritin. We first studied, in solution, the degradation processes of iron oxide nanoparticles in the presence of these proteins as well as the iron transfer processes from nanoparticles to ferritin. The difficulty is the high concentration of endogenous iron which makes impossible to demonstrate these in vivo transfers. Thus, we have developed a strategy, using doped iron oxide nanoparticles with a scarce element in the organism, to track these phenomena in vivo. This work highlighted a possible mechanism of biological recycling, remediation and detoxification of nanoparticles mediated by endogenous proteins at the molecular scale. A second part of my work was devoted to develop a multi-scale method to study the life cycle of metal oxide nanoparticles and their by products in organism. The main challenge is to differentiate iron stemming from the nanoparticles from the endogenous iron. This specific tracking problem is routinely encountered in geochemical studies and solved by labelling the target material with minor stable isotopes. Therefore, iron oxide nanoparticles enriched in the minor stable isotope 57Fe were synthetized and injected intravenously in mice to follow dynamic circulations of iron oxide nanoparticles and their byproducts. We have also labelled the coating to track the nanoparticles integrity in mice over a period of six month

Les tumeurs endocrines sont habituellement diagnostiquées grâce à l'emploi d'une technique d'imagerie utilisant un peptide radio-marqué (somatostatine ou Osteoscan) dont le récepteur est présent dans 80% des tumeurs. Le récepteur à sept domaines transmembranaires RCCK2 est également sur-exprimé avec une forte incidence dans les tumeurs endocrines. De plus, notre équipe a montré que la gastrine et la CCK, les deux ligands agonistes naturels du RCCK2, induit une internalisation massive du RCCK2 ; le récepteur est ensuite orienté majoritairement avec ses ligands vers les lysosomes pour y être dégradé. Notre équipe a alors formulé l'hypothèse que la surexpression de RCCK2 dans les tumeurs endocrines comparativement aux tissus sains et sa capacité d'internalisation massive pouvaient être avantageusement utilisées pour développer une nouvelle approche diagnostique et thérapeutique. Mon projet de thèse présentaient plusieurs objectifs : 1°) optimiser une nanoplateforme magnétique permettant le ciblage efficace de cellules tumorales surexprimant le RCCK2 ; 2°) valider la stratégie de nanothérapie ciblée par hyperthermie magnétique afin d'éradiquer spécifiquement des cellules tumorales surexprimant le RCCK2, puis étudier les mécanismes cellulaires impliqués dans la signalisation de mort ; 3°) élaborer des stratégies permettant d'augmenter l'efficacité thérapeutique anti-tumorale. Dans un premier temps, j'ai développé une nano-plateforme constituée d'une nanoparticule magnétique (NPM) d'oxyde de fer de type SPION (superparamagnetic iron oxide nanoparticles). J'ai élaboré différents lots de NPM présentant différentes densités en ligand à leur surface et analysé leur capacité de liaison, d'internalisation et d'accumulation dans les lysosomes. Les nanoparticules vectorisées s'accumulent dans les cellules de façon dépendante du récepteur (2.2pg de fer/cellule). J'ai ensuite cherché à valider la stratégie de nanothérapie ciblée par hyperthermie magnétique. Pour cela, j'ai appliqué un champ magnétique alternatif à haute fréquence (275 kHz, 40 mT) sur des cellules ayant ou non internalisé des NPM. L'application du champ magnétique, induit la mort de 30% des cellules tumorales ayant internalisé des NPM, sans élévation détectable de température du milieu extracellulaire, suggérant que l'hyperthermie magnétique serait probablement induite très localement à l'échelle du lysosome. Nous avons appelé ce phénomène : hyperthermie magnétique intra-lysosomale. Ensuite, j'ai cherché à préciser les mécanismes cellulaires pouvant être impliqué dans l'induction de la mort des cellules. Mes résultats montrent que l'application du champ magnétique sur des cellules ayant accumulé des NPM dans leur lysosome induit une production de radicaux libres oxygénés (ROS) responsables de la perméabilisation de la membrane lysosomale et conduisant à la fuite des cystéines protéases lysosomales dans le cytosol, impliqués ainsi dans le mécanisme de mort par hyperthermie magnétique intra-lysosomale. Enfin, dans le but d'augmenter l'efficacité thérapeutique, j'ai combiné ce traitement d'hyperthermie magnétique intra-lysosomale à un traitement chimiothérapeutique, la doxorubicine. Les résultats montrent un effet additif des traitements hyperthermique et chimiothérapeutique. Une telle stratégie de combinaison d'approches thérapeutiques présente l'avantage d'utiliser des doses faibles d'agent chimiothérapeutique, afin de limiter les effets secondaires vis-à-vis des cellules saines. / Endocrine tumors are usually diagnosed through the use of an imaging technique using a radiolabeled peptide (somatostatin or Osteoscan) whose receptor is present in 80% of tumors. The CCK2R which belongs to the seven transmembrane domains receptor family is also overexpressed with a high incidence in endocrine tumors. In addition, our team has shown that gastrin and cholecystokinin (CCK), both natural agonists of the CCK2R, induce a massive CCK2R internalization; then the receptor is directed with the ligand to lysosomes to be degraded. Our team hypothesized that CCK2R overexpression in endocrine tumors compared to healthy tissue and its ability to internalize could advantageously be used to develop a new diagnostic and therapeutic approach. My thesis project had several objectives: 1) To optimize a magnetic nano-platform for an effective targeting of tumor cells overexpressing the CCK2R; 2) To validate the targeted nanotherapy strategy by magnetic hyperthermia to specifically eradicate tumor cells overexpressing the CCK2R, and study the mechanisms involved in cell death; 3) To develop strategies in order to increase the anti-tumor therapeutic efficiency. Firstly, I have developed a nano-platform composed of a SPION (superparamagnetic iron oxide nanoparticles) type magnetic nanoparticle (MNP). I developed different batches of MNP with different ligand densities at their surface and analyzed their binding capacity, internalization and lysosomal accumulation. Targeted nanoparticles uptake is receptor dependent, reaching a rate of 2.2 pg iron/cell, after 24 hours of incubation. Thus, I validated the strategy of targeted nanotherapy by magnetic hyperthermia. For this, I applied a high frequency alternating magnetic field (275 kHz, 40 mT) on cells with or without internalized MNPs. The application of the magnetic field induces the death of 30% of tumoral cells having internalized MNPs, without any perceptible temperature rise in the incubation medium, suggesting that the magnetic hyperthermia would probably be induces very locally at the scale of the nanoparticules or the lysosome. We called this phenomenon intra-lysosomal magnetic hyperthermia. Then, I studied the cellular mechanisms involved in the induction of cell death by intra-lysosomal magnetic hyperthermia. My results showed that the application of a magnetic field increased the production of reactive oxygen species (ROS), leading to lysosomal membrane permeabilization and to the leakage of lysosomal enzymes in the cytosol of cells having internalized MNPs, indicating that ROS production and lysosomal cysteine proteases are involved in the mechanisms of cell death. Finally, in order to increase the therapeutic efficacy, I combined this intra-lysosomal magnetic hyperthermia treatment to a chemotherapeutic treatment, the doxorubicin. The results showed an additive effect of hyperthermia and chemotherapy treatments. This combining therapeutic strategy presents the advantage of using low doses of chemotherapeutic agent, in order to decrease the side effects towards healthy cells.

L'objectif de ce travail est d'étudier une stratégie catalytique originale, consistant à insérer par imprégnation, au sein de la matrice lignocellulosique du bois, un sel métallique de Ni ou Fe, dont les phases catalytiquement actives pour la conversion des goudrons sont générées in-situ au cours de l'étape de pyrolyse. La caractérisation des échantillons de bois imprégné révèle que l'insertion des cations métalliques fait intervenir des mécanismes d'adsorption électrostatique, d'échange ionique et de complexation au sein des hémicelluloses, de la lignine et des microfibrilles de cellulose, assurant un état élevé de dispersion du métal dans la matrice lignocellulosique. L'étude de l'évolution des espèces de Ni au cours de la pyrolyse du bois met en évidence la formation de nanoparticules (NPs) de Ni0 quasi-monocristallines dans la gamme de température 400-500°C, les atomes de carbone jouant le rôle d'agent réducteur. Dans la même gamme de température, les espèces de Fe sont transformées en NPs de FeOx amorphes. Les tests de pyrolyse à 700°C révèlent que le nickel est plus efficace pour augmenter la production de H2 et réduire la formation d'hydrocarbures aromatiques, tandis que le fer est plus performant pour réduire la production totale de goudrons. D'un point de vue mécanistique, la présence des espèces métalliques, très dispersées dans la matrice lignocellulosique, impacte considérablement les mécanismes primaires de pyrolyse. De plus, les réactions secondaires de pyrolyse sont fortement modifiées par la génération in-situ des NPs de Ni0 et de FeOx, considérées comme les phases actives pour les réactions de conversion des goudrons et la réaction du gaz à l'eau. / This exploratory research work aimed at studying an original catalytic strategy for biomass gasification which consists in inserting into the lignocellulosic matrix of wood, by impregnation, a salt of Ni or Fe whose catalytically active phases for tar conversion reactions are generated in-situ during the pyrolysis stage. The characterization of the metal impregnated wood samples reveals that electrostatic adsorption, ion-exchange and metal complexation within hemicelluloses, lignin and cellulose microfibrills are involved in the mechanisms of metal cations insertion, resulting in a very high metal dispersion into the lignocellulosic matrix. The study of the nickel species evolution during wood pyrolysis demonstrates the formation of quasi-monocristalline Ni0 nanoparticles (NPs) in the temperature range 400-500°C, the carbon atoms acting as the reducing agent. In the same temperature range, the Fe species are transformed into amorphous FeOx NPs. The pyrolysis tests performed at 700°C reveal that the nickel catalyst is more efficient for enhancing H2 production and reducing the formation of aromatic hydrocarbons, whereas the iron catalyst exhibits better performances for reducing total tar production. From a mechanistic standpoint, it is suggested that the presence of highly dispersed metal species into the lignocellulosic matrix strongly impacts the mechanisms of primary pyrolysis. Moreover, the secondary pyrolysis reactions are strongly modified by the in-situ generation of Ni0 and FeOx NPs considered as the active phases for tar conversion and water gas shift reactions. Potential interests of the new nanocomposite materials Ni0/C and FeOx/C as obtained are discussed.

Le sujet de cette thèse concerne l'élaboration depolymères hydrophiles biocompatibles et fonctionnelspour la stabilisation et la bio-fonctionnalisation denanoparticules d'oxyde de fer en vue d'une utilisation entant qu'agents de contraste en imagerie par résonancemagnétique et/ou en tant que vecteurs de principesactifs ou de thérapie génique. Pour ce travail de thèse,l'objectif a été de fonctionnaliser des poly(oxyded'éthylène)s (POE) commerciaux, connus pour leurspropriétés d'hydrophilie, de biocompatibilité et defurtivité par un groupement acide phosphonique, pourchélater les nanoparticules d'oxyde de fer, et par ungroupement furane, susceptible de réagir avec desbiomolécules à fonctionnalité maléimide, facilementaccessibles, selon une réaction de Diels-Alderthermoréversible.Des POEs à extrémité acide phosphonique et àfonctionnalité furane ont été synthétisés selon deuxstratégies originales combinant des réactionsd'Atherton-Todd ou de Kabachnik-Fields et lacycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen, réaction dechimie " click " très efficace, orthogonale, spécifique etréalisée dans des conditions douces.Les POEs obtenus ont ensuite été greffés à la surfacede nanoparticules d'oxyde de fer selon la stratégie'grafting onto'. L'efficacité des POEs à stabiliser lesnanoparticules d'oxyde de fer a été mise en évidence.De plus, les tests de cytotoxicité ont montré que cessystèmes sont biocompatibles. De plus, lesnanoparticules d'oxyde de fer, une fois greffées, ontconservé leurs propriétés de relaxivité autorisant leurutilisation en imagerie médicale. Enfin, l'aptitude de cesnanoparticules fonctionnalisées par des groupementsfurane à immobiliser des molécules à fonctionnalitémaléimide a été mise en évidence ainsi que lapossibilité ultérieure à libérer ces molécules sous effetd'un stimulus thermique. Ce comportement réversibleouvre des perspectives tout à fait intéressantes dans ledomaine de la vectorisation de principes actifs.

Ce travail de thèse a pour but la synthèse de solides constitués de nanoparticules d'oxyde de fer de taille contrôlée, dispersées et en interaction forte avec des supports mésoporeux. L'originalité du travail consiste en un choix judicieux de précurseurs de fer : des complexes de type chélate. Via une dégradation thermique contrôlée, ils libèrent la phase active sous forme d'oxyde et la déposent sur les parois internes à forte courbure de la silice SBA-15 avec un degré de dispersion optimal. Ce phénomène de confinement, désigné "effet de panier", conduit après calcination à des particules de Fe2O3, dont la taille est régie par la géométrie des chélates. Dans le cas des composites Fe/Al2O3, le fer est très dispersé (plages d'oxyde mixte (Fe,Al)2O3) et fortement stabilisé grâce à une bonne interaction acide-base avec le support. Ces composites sont d'excellents catalyseurs pour l'oxydation du phénol par H2O2 en milieu aqueux, puisque l'élution de l'espèce active est très limitée (<2%).

Le sujet de cette thèse concerne l'élaboration depolymères hydrophiles biocompatibles et fonctionnelspour la stabilisation et la bio-fonctionnalisation denanoparticules d’oxyde de fer en vue d'une utilisation entant qu’agents de contraste en imagerie par résonancemagnétique et/ou en tant que vecteurs de principesactifs ou de thérapie génique. Pour ce travail de thèse,l'objectif a été de fonctionnaliser des poly(oxyded'éthylène)s (POE) commerciaux, connus pour leurspropriétés d'hydrophilie, de biocompatibilité et defurtivité par un groupement acide phosphonique, pourchélater les nanoparticules d'oxyde de fer, et par ungroupement furane, susceptible de réagir avec desbiomolécules à fonctionnalité maléimide, facilementaccessibles, selon une réaction de Diels-Alderthermoréversible.Des POEs à extrémité acide phosphonique et àfonctionnalité furane ont été synthétisés selon deuxstratégies originales combinant des réactionsd’Atherton-Todd ou de Kabachnik-Fields et lacycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen, réaction dechimie « click » très efficace, orthogonale, spécifique etréalisée dans des conditions douces.Les POEs obtenus ont ensuite été greffés à la surfacede nanoparticules d’oxyde de fer selon la stratégie‘grafting onto’. L’efficacité des POEs à stabiliser lesnanoparticules d’oxyde de fer a été mise en évidence.De plus, les tests de cytotoxicité ont montré que cessystèmes sont biocompatibles. De plus, lesnanoparticules d’oxyde de fer, une fois greffées, ontconservé leurs propriétés de relaxivité autorisant leurutilisation en imagerie médicale. Enfin, l’aptitude de cesnanoparticules fonctionnalisées par des groupementsfurane à immobiliser des molécules à fonctionnalitémaléimide a été mise en évidence ainsi que lapossibilité ultérieure à libérer ces molécules sous effetd’un stimulus thermique. Ce comportement réversibleouvre des perspectives tout à fait intéressantes dans ledomaine de la vectorisation de principes actifs. / The objective of this thesis was the preparation ofbiocompatible hydrophilic functionalized polymers forthe stabilization and bio-functionalization of iron oxidenanoparticles (IONPs) for biomedical applications suchas contrast agents in magnetic resonance imagingand/or targeted drug delivery. In this work, commerciallyavailable poly(ethylene oxide)s (PEO), which havehydrophilic, biocompatibility and furtivity properties havebeen functionalized by a phosphonic acid group, thatstrong anchors on IONPs, and by a furan group that canbe coupled to maleimide-terminated biomolecules by athermoreversible Diels-Alder reaction.Phosphonic acid-terminated PEOs fonctionalized by afurane group were synthesized according to two originalstrategies combining an Atherton-Todd or a Kabachnik-Fields reaction and a 1,3-dipolar cycloaddition reaction.This latter reaction, also named ‘click’ reaction, ischaracterized by high yields, simple reaction conditions,fast reaction times, and high selectivity.These PEOs were attached to the IONPs surface usingthe 'grafting onto' strategy. The subsequent polymerstabilizedIONPs were characterized, proving thepresence of polymers on IONPs surfaces. Cytotoxicitystudies revealed that the IONPs carriers werebiocompatible. In addition, studies on the protontransverse relaxation enhancement properties of thesestabilized IONPs indicated high relaxivities in the samerange as iron oxide based commercially availablecontrast agents. Finally, polymer-stabilized IONPs weresuccessfully functionalized by maleimide-functionalizedmolecules according to the Diels-Alder reaction and thesubsequent release of these molecules via a thermalstimulus has been proven. Consequently, this type ofcontrolled-release system could be expanded to drugtherapy responding to external stimuli.

Les travaux de cette thèse ont été consacrés à la synthèse de nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer et d'oxyde de cobalt et de nanoparticules coeur-coquille constituées d'un coeur d'oxyde de fer recouvert d'oxyde de cobalt et à l'élaboration de nanomatériaux - composites nanostructures carbonées/nanoparticules d'oxyde métallique - pour des applications dans le domaine biomédical et celui de l'énergie. Pour la synthèse des NPs, la forme et la taille des NPs sont fortement dépendantes des conditions de réaction (nature des ligands, des solvants, température de réaction ... ) , ce qui affecte leurs propriétés magnétiques. De plus, des simulations ont montré que les chaînes de stéarate peuvent désorber plus facilement les atomes de fer que les atomes de cobalt et se libérer pour former des germes, ce qui pourrait expliquer le comportement distinctif entre les deux complexes. Ces nanoparticules magnétiques ont été synthétisées à l'intérieur de nanotubes de carbone en deux étapes aboutissant à des taux de remplissage très importants. Après fonctionnalisation, ces nanocomposites ont été introduits dans de cellules tumorales et ont été magnétiquement manipulées. Ils se sont révélés être très efficaces en tant qu'agents de contraste en IRM mais également dans le domaine de l'hyperthermie (activation sous éclairage dans le domaine de !'Infrarouge proche). Enfin, de nouveaux composites à partir de nanoparticules de Nb20 5 et de graphène (ou NTCs) ont été synthétisés et des résultat~prometteurs ont été obtenus dans des tests de batterie lithium-ion : leur utilisation en tant qu'anode a permis d'obtenir des capacités réversibles de 260 mAh/g. / This thesis was focused on the synthesis of magnetic nanoparticles of iron oxide and cobalt oxide and core-shell nanoparticles, consisting of a cobalt oxide coated iron oxide and on the development of composite nanomaterials - nanostructures carbon /metal oxide nanoparticles - for applications in the biomedical field and the energy. For the synthesis of NPs, the shape and size of NPs are dependent of the reaction conditions, which further affect their magnetic properties. Meanwhile, simulation showed that stearate chains can desorb more easily from iron atoms and release to form seeds than from cobalt atoms, which might explain distinctive behavior between the bath complexes. Regarding nanostructures carbon/metal oxide nanoparticles hybrid materials, the properties of the filled magnetic CNTs as heat mediator for photothermal ablation and as contrast agent for MRI were then evaluated and promising results have been obtained. Last, new composite materials (Nb205 nanoparticles/graphene or NTCs) were synthesized and promising results were obtaines in lithium battery tests : their use as anode allowed obtaining reversible capacities of 260 mAh/g.