Les nucléolipides sont des molécules hybrides amphiphiles de faible poids moléculaire composées de deux parties liées de façon covalente : la première est un acide nucléique, un nucléotide, un nucléoside ou une nucléobase et la seconde un lipide. En combinant les propriétés physicochimiques de deux des biomolécules parmi les plus représentées dans le vivant, les nucléolipides présentent la capacité à former des auto-assemblages supramoléculaires d’intérêt pour la conception de biomatériaux. L'étude des capacités d’auto-assemblage des GlycoNucléoLipides, qui possèdent un lien aromatique de type triazole, a démontré que la nature du lien covalent qui unit les deux parties du nucléolipide a un effet déterminant sur l’assemblage. Ce travail a porté sur l'utilisation et le développement d'une réaction de Stetter, organocatalysée par des carbènes N-hétérocycliques et bioinspirée, pour obtenir un lien de type dicétone-1,4 entre la thymidine et différents lipides. Ce motif, précurseur de cycles hétéroaromatiques, a notamment conduit à la formation de liens de type pyrrole par une réaction de type Paal-Knorr. Les propriétés gélatrices de ces nucléolipides originaux ont été comparées à celles de ceux portant un motif triazole. Parmi les nucléolipides obtenus, un composé particulièrement lipophile, porteur du lien 1,4- dicétone, a montré la capacité de former un gel dans des huiles (soit un oléogel). Une étude structurepropriétés a été effectuée pour comprendre le rôle de chaque partie de la molécule. Ce type de formulation présentant un intérêt tout particulier pour le développement de systèmes de délivrance contrôlée de substances actives lipophiles, les propriétés physicochimiques de cet oléogel ont par ailleurs été étudiées. La réaction de Stetter présentant la plupart des caractéristiques d'une réaction dite de "chimie click", des conditions de réaction plus éco-compatibles et adaptées à la fonctionnalisation d’autres biomolécules ont ensuite été développées en milieu aqueux. / Nucleolipids are hybrid amphiphilic low molecular weight molecules composed of two parts covalently linked: the first one being a nucleic acid, a nucleotide, a nucleoside or a nucleobase and the second a lipid. Combining the physico-chemical properties of two of the most widespread biomolecules, nucleolipids are capable of self-assemble as supramolecular structures of interest for application in the field of biomaterials. The study of the self-assembling properties of GlycoNucleoLipids, bearing a triazole moiety as a linker, demonstrated the crucial influence of the nature of the covalent linker bringing together the two parts of the nucleolipid onto the self-assembly. In this work, the synthesis of nucleolipids bearing a 1,4-diketone linker between thymidine and various lipids via the bioinspired and N-Heterocyclic Carbene organocatalyzed Stetter reaction is described. As an heteroaromatic cycle precursor, this moiety led to the formation of pyrrole skeletons via the classical Paal-Knorr reaction. The gelating properties of these original nucleolipids were evaluated and compared with the ones bearing a triazole link. Among these original synthetic nucleolipids, a lipophilic compound bearing a 1,4-diketone link exhibited the ability to form gels in oils (i.e. oleogels). A structure-properties study was realized to understand the role of each part of the molecule. This type of formulation being of particular interest for the development of lipophilic drug delivery systems, the physico-chemical properties of the oleogel were also extensively studied. The Stetter reaction exhibiting most of the « click chemistry » characteristics, eco-friendly reaction conditions were developed in aqueous media and applied to other biomolecules conjugation.

Deutsch: Die vorliegende Arbeit beinhaltet die kombinatorische Synthese sowie biomedizinische Aspekte von neuen, lipophilisierten Nucleosiden (Nucleolipiden) als small molecules. Für die Synthesen wurden sowohl Nucleosid-Metabolite als auch -Antimetabolite lipophilisiert. Als Lipidreste wurden natürlich vorkommende Verbindungen, wie azyklische Terpene und (a)symmetrische Ketone verwendet. Diese wurden am O-2‘,3‘-cis-glycosidischen Rest oder an der N(3)-Position von β-D-Pyrimidinen oder an der N(1)-Position von β-D-Purinen eingeführt. Die Einführung der Reste erfolgte durch Ketalisierung der glyconischen Hydroxylgruppen oder durch direkte Alkylierung sowie durch Dimroth-Umlagerung des Aglycons. Zusätzlich wurden in weiteren Reaktionen ausgewählte Nucleolipide in 2-(Cyanoethyl)phosphoramidit für die automatische DNA-Festphasensynthese von Oligo-nucleotiden umgewandelt. Diese wurden für eine Reihe von Penetrationsversuchen hinsichtlich ihres Einlagerungs-und Penetrationsverhaltens in eine künstliche Lipidmembran untersucht und untereinander verglichen. Die synthetisierten Nucleolipide wurden NMR-spektroskopisch im Hinblick auf die strukturellen Parameter (1) Zuckerpucker (3’T2‘⇌3’T2‘) und (2) die Konformation um die exozyklische C(4‘)-C(5‘)-Bindung (γ+(g)⇌γt⇌γ-(g)) charakterisiert. Außerdem wurden die Nucleolipide hinsichtlich ihrer biologischen Aktivität in in vitro-Tests auf humane, differenzierte THP-1-Makrophagen bezüglich des Immunoeffekts und auf eine Rattengliom- sowie einer humanen Gliom-Zellline bezüglich der Antitumoraktivität getestet. English: The thesis comprises the combinatorial synthesis and biomedicinal aspects of novel lipophilized nucleosides (Nucleolipids) as small molecules. Nucleoside-metabolites, as well as -antimetabolites, were used for the lipophilization. The chemical structure of the lipid residues resembles naturally-occurring compounds, namely acyclic terpenes, and (a)symmetric ketones. They are positioned either at the O-2’,3’-cis-glyconic moiety or at the N(3) of β-D-pyrimidines or N(1) of β-D-purines. The introduction of the lipophilic residues was performed either by ketalization of the glyconic hydroxyls or by direct alkylation as well as by Dimroth rearrangement at the N-alkylated aglycone. Additionally, selected nucleolipids were further converted to 2-(cyanoethyl) phosphoramidites as building blocks for automated solid phase nucleic acid synthesis. The latters were used for the preparation of a series of lipo-oligonucleotides which were studied with respect to their immobilization within artificial lipid bilayers and compared concerning immobilization rate and stability. The resulting nucleolipids were characterized with respect to the structural parameters (1) the sugar pucker (3’T2‘⇌3’T2‘) as well as (2) the conformation around the exocyclic C(4’)-C(5’)-bond (γ+(g)⇌γt⇌γ-(g)) by 1H-NMR-spectroscopy. Moreover, the biological activity of the nucleolipids was tested in-vitro on human, differentiated THP-1-macrophages for the immunoeffect and towards the rat gliom cell line BT4Ca as well as a human gliom (GOS-3) for anticancer activity.

La thérapie génique est une forme de médecine moléculaire qui a des potentialités majeures dans le traitement d'un grand nombre de maladies héréditaires ou de cancers. Les acides nucléiques doivent pénétrer à l'intérieur des cellules et interagir avec la machinerie génétique présente. Une des plus grandes limitations dans l'application de ce type de traitement est le développement d'un vecteur sûr et efficace pour transporter ces molécules dans les cellules. Les vecteurs sont classifiés traditionnellement en deux grandes catégories : viral et non-viral. Les vecteurs de type viral sont les plus efficaces et utilisés dans la majorité des tests cliniques, cependant ils peuvent provoquer une forte réponse immunitaire et ils ont des coûts importants de production. Les vecteurs de type non viral peuvent être fabriqués facilement en grande quantité, ne sont pas immunogéniques et possèdent l'avantage de pouvoir être modulés en fonction des applications. Les lipides et les polymères cationiques sont les plus étudiés à cause de leurs propriétés de complexation avec les acides nucléiques. Cependant ces complexes chargés positivement peuvent être toxiques à cause de leur interaction non spécifique avec les membranes cellulaires, ce qui limite leur utilisation in vivo. Cela a conduit à la recherche de nouveaux vecteurs, neutres ou anioniques, pour diminuer les problèmes de cytotoxicité. Les nucléolipides (NL) sont des molécules hybrides bioinspirées amphiphiles formées d’une partie hydrophile nucléotidique et d’une partie hydrophobe lipidique. Ces molécules sont donc capables de s'autoassembler et de former des structures supramoléculaires avec des propriétés physico-chimiques principalement liées à la nature chimique de la tête polaire nucléotidique. L'interaction avec des acides nucléiques est alors possible grâce à des interactions de type Watson-Crick, cependant elles ne sont pas suffisamment élevées pour former un complexe stable pour être utilisées dans les conditions biologiques. La synthèse d’une nouvelle famille de molécules hybrides de type amino-nucléo-lipides (ANL) a été développée dans l'objectif d'améliorer les interactions et donc la complexation grâce à la présence d'un acide aminé sur la partie polaire de l’amphiphile. La synthèse chimique des ANLs avec différents acides aminés (glycine, phénylalanine) en position 5' du sucre et différentes lipides (dimiristoyl, dioleoyl) estérifié au phosphate présent en position 3' a été réalisée. Les études physico-chimiques réalisées par diffusion dynamique de la lumière (DLS), cryo-microscopie électronique (cryo-TEM) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ont permis d'étudier la morphologie et l'organisation structurale des objets supramoléculaires formés par ces molécules. Ces études ont en particulier permis de mettre en évidence la relation entre la structure chimique et les propriétés physico-chimiques. Les NLs forment des vésicules unilamellaires et les ANLs, grâce à la présence de l'acide aminé sur la tête polaire, forment des vésicules de type multilamellaire. L'étude des interactions, réalisée par calorimétrie à titration isotherme (ITC), entre les vésicules et un acide nucléique modèle (poly A) montre qu'il existe une interaction entre les deux partenaires, mais que cette interaction n'est pas suffisamment forte pour envisager des applications biologiques. La stratégie d'utiliser un cation divalent, comme le calcium, pour ponter les charges négatives des nucléolipides et les charges négatives des acides nucléiques a été envisagé et les complexes ont été étudiés par SAXS. Enfin, des transitions de morphologies observées en fonction de la concentration ont été étudiées par DLS et cryo-TEM. Ces transitions de morphologies ont pu être corrélées à des effets de force ionique sur les propriétés de la tête polaire. / Gene therapy is a molecular medicine and a very powerful tool for the treatment of several diseases such as inherited disorder and cancer. Nucleic acids must penetrate into cells in order to interact with their genetic material. Currently the main limitation to the application of this treatment towards clinics is the lack of robust, safe and efficient gene delivery vectors. The two major classes of vectors are those based on recombinant viruses and those based on non-viral systems. Viral vectors are the most efficient and used in several clinical trials, however they can elicit a strong immune reaction and they possess high cost of production. Non-viral vectors are less immunogenic and can be easily produced on a large scale. A large variety of both cationic lipids and polymers have been developed due to their ability to interact spontaneously with negatively charged nucleic acids to form complexes. However these positively charged complexes can present some toxicity due their non-specific interaction with cell membranes and seric proteins. This is the main limitation for their clinical use. For this purpose, new vectors, neutral or anionic, have to be developed in order to diminish the cytotoxicity and increase the circulation time. Nucleotide-lipids (NLs) are bio-inspired amphiphilic hybrid molecules composed of a hydrophilic nucleotidic moiety and a hydrophobic lipophilic moiety. These molecules are able to self-assembly to form supramolecular structures which possess particular physico-chemical properties due to the chemistry of their polar head. These molecules can interact with a nucleic acid by Watson-Crick base pair interactions, however they are not sufficiently strong to form a stable complex that can be used for a biological application. A new chemical family of hybrid amphiphile, amino acid-nucleotide-lipids (ANLs), has been developed in order to increase the interactions and the stability of the complex thank to the presence of the amino acid on the polar head. Herein, we have synthesized novel amino acid-nucleotide-lipids, presenting phenylalanine (or glycine) and thymidine residues and saturated (dimiristoyl) or unsaturated (dioleoyl) diacyl glycerol lipid. The morphology and the structural organization of the supramolecular objects formed by these molecules was studied by dynamic light scattering (DLS), cryo-electron microscopy (cryo-TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS). These studies allowed investigating the relation between the chemical structure and the physic-chemical properties. The amino acids, inserted at the 5′ position of the nucleotide-lipids, stabilize multilamellar systems, whereas unilamellar vesicles are formed preferentially in the case of nucleotide-lipids. Both NLs and ANLs exhibit weak interactions with complementary polyA RNA as revealed by isothermal titration calorimetry (ITC) investigations, however they are not sufficiently strong to form a stable complex that can be used for a biological application. The use of multivalent cations, such as Ca2+, which bridge the phosphate groups on the lipid polar heads with those of the backbone of nucleic acids, to form ternary complexes, has been investigated by SAXS. Finally, a structural study, by DLS and cryo-TEM of NLs aggregates in aqueous solutions as a function of ionic strength and surfactant concentration, has been conducted in order to investigate the different morphologies of the systems.

Le cisplatine est l’un des trois agents anticancéreux les plus utilisés en chimiothérapie contre les tumeurs solides. Cependant, les doses utilisées sont limitées par des effets secondaires importants et l’existence des résistances innées ou acquises vis-à-vis de cette drogue. Ce travail vise à augmenter l’index thérapeutique du cisplatine (réduire ses effets secondaires et augmenter son activité anti-tumorale). Pour cela des nanoparticules hautement chargées en cisplatine en couche par couche à base de nucléolipides ont été préparées. Les études physico-chimiques (TEM, DLS, XPS, microscopie à fluorescence, ICP-optique) ont révélé que les nanoparticules à double couche étaient plus stables en milieu biologique par rapport aux formulations en mono-couche. Les études biologiques réalisées sur deux lignées tumorales ovariennes (IGROV1 et SKOV3) ont montré que cette formulation améliore l’activité cytotoxique du cisplatine et inhibe le développement des résistances. L’étude du mécanisme d’action (internalisation, apoptose, génotoxicité, réplication de l’ADN) a confirmé que les nanoparticules à double couche augmentent le taux de cisplatine internalisé qui, une fois libéré dans les cellules, arrête la réplication de l’ADN et induit la mort cellulaire par apoptose. Aucune toxicité intrinsèque aux nano-objets n’est observée. Les études in vivo de ces nanoparticules à double couche après injection en intraveineuse de 5, 7 et 9 mg/Kg ont révélé que cette formulation augmente la dose maximale tolérée et présente une activité anti-tumorale vis-à-vis des lignées cellulaires PROb et GV1A1. Cette stratégie d’élaboration des nanoparticules en couche par couche de nucléolipides nous a permis d’insérer des PEG avec ou sans acide folique pour le ciblage et d’introduire une deuxième drogue lipophile, le paclitaxel. Les tests in vitro (cytotoxicité, internalisation) ont montré l’intérêt de ces modifications. / Cisplatin is one of the three most commonly used anticancer drugs in chemotherapy against solid tumors. However, the doses used are limited by significant side effects and the existence of resistance. The aim of this work is to increase the therapeutic index of cisplatin. For this purpose, highly charged nucleolipids nanoparticles “layer-by-layer” of cisplatin were prepared. The physico-chemical studies (TEM, DLS, XPS, ICP, Fluorescence microscopy) revealed that the bilayer nanoparticles were more stable in biological environment compared with mono-layer formulations. Biological studies carried in two ovarian carcinoma cells lines (IGROV1 and SKOV3) showed that this formulation enhances the cytotoxic activity of cisplatin and inhibits the development of resistance. The study of the mechanism of action (internalization, apoptosis, genotoxicity, DNA replication) demonstrated the nanoparticles with double layer increases the rate of cisplatin internalized then released into the cells, stops the replication of DNA and induces cell death by apoptosis. No intrinsic toxicity of nano-objects is observed. In vivo studies of these nanoparticles double layer after intravenous injection of 5, 7 and 9 mg/Kg in the rats showed this formulation increases the maximum tolerated dose and has an antitumor activity against PROb en GV1A1 cells lines. This strategy of developing layer-by-layer nucleolipids nanoparticles allows to insert PEG with or without folic acid for targeting and introducing second drug, a lipophilic paclitaxel. In vitro study (cytotoxicity, internalization) have shown the benefits of both modification.

Les nucléolipides sont des molécules amphiphiles dont la structure bio-inspirée dérive de celle des acides nucléiques. Leur auto-assemblage en milieu aqueux aboutit à la formation d’objets supramoléculaires de morphologies et structures très diverses. La morphologie a été caractérisée par des techniques complémentaires de microscopie optique et de diffusion de la lumière, tandis que leur structure a été déterminée par la diffusion des rayons X. Il a ainsi été mis en évidence l’existence et le rôle fondamental des interactions faibles entre têtes polaires, au sein des auto-assemblages. La nature de ces interactions faibles a été déterminée par des techniques de spectroscopies IR et UV. Un premier objectif a été de mettre en évidence l’importance de ces interactions, ainsi que leur corrélation avec d’autres facteurs qui régissent le mécanisme d’auto-assemblage, tels que la nature chimique des amphiphiles, ou la morphologie et la structure des objets supramoléculaires en présence.Par ailleurs, la tête polaire nucléotide permet également d’imaginer la formation d’interactions faibles entre les auto-assemblages et un monobrin d’acide nucléique, à l’image des interactions spécifiques entre bases azotées présentes dans l’ADN. Lors de ce travail, nous nous sommes intéressés à une méthode de vectorisation d’acides nucléiques par des objets eux aussi chargés négativement. Contrairement aux approches classiques, l’interaction électrostatique est ici défavorable et l’association repose alors uniquement sur des interactions faibles spécifiques, estimées en spectroscopie. De façon surprenante, la formation des complexes a pu être mise en évidence par des expériences de diffraction des rayons X et un modèle approprié a permis de proposer des mécanismes de formation des complexes. Les propriétés thermodynamiques des différents complexes formés ont été évaluées par la technique de Calorimétrie à Titration Isotherme (ITC). Un point remarquable a été la mise en évidence systématique de trois types de comportements sur l’ensemble des complexes étudiés en fonction de la nature et de la spécificité des interactions mises en jeu. Ceci nous a ainsi permis de proposer différents mécanismes de formation pour chaque type de complexe observé. / Nucleolipids are amphiphilic molecules which bio-inspired structure derives from nucleic acid structure. Their self-assembling behaviour in aqueous medium leads to the formation of supramolecular objects of very different morphologies and structures. The morphology has been characterized with optical microscopy and light scattering complementary techniques, whereas their structure has been determined with X-ray scattering. Thus the existence and the fondamental role of weak interactions between polar heads inside the self-assemblies have been highlighted. The nature of these weak interactions has been determined with IR and UV spectroscopies techniques. A first objectif has been to highlight the importance of these interactions, as well as the their correlation with other factors which drive the mechanism of self-assembly, such as the chemical nature of amphiphiles or the morphology and structure of the supramolecular objects.Moreover the nucleotide polar hear also allows to imagine the formation of weak interactions between the self-assemblies and a single-stranded nucleic acid, such as those highlighted in DNA. In this work, we found interest in a nucleic acid vectorisation method with negatively charged objects as well. On the contrary of classic approaches, electrostatic interaction was here defavorable and assembling relies only on specific weak interactions, estimated with spectroscopy methods. Surprisingly, complexes formation could be highlighted with X-ray scattering experiments, and an appropriate model has allowed the proposal of mechanisms for the formation of complexes. Thermodynamic properties of the different complexes formed have been evaluated with Isothermal Titration Calorimetry (ITC) technique. A remarkable point was the systematic highlighting of three types of behaviour on the whole set of complexes studied, depending of the nature and the specificity of the weak interactions implied. This led us to different proposals for the mechanism of formation of each type of complex studied.

Ziel der vorgestellten Arbeit war die Synthese von Nucleolipiden zur Lipophilisierung von Oligonucleotiden sowie deren Untersuchung im Hinblick auf ihre Wechselwirkung und Duplex-Bildung an horizontalen Lipidmembranen und verschiedenen Phasengrenzen zur Entwicklung eines neuartigen Bio-Chips für die RNA/DNA-Analyse. Mit der Synthese N(3)-prenylierter und 2’,3’-O-ketalisierter Pyrimidinbasen Uridin und Methyluridin wurden Nucleolipid-Bausteine dargestellt, die auch als terminale Kopfgruppen eines Oligonucleotid-Dodecamers den lipophilen Charakter dieser Oligonucleotid-Sequenz erhöhten. Für den Einsatz solcher LONs (Lipo-Oligonucleotide) in einer vereinfachten RNA/DNA-Analytik wurde eine Vielzahl von Lipo-Oligonucleotiden mit diversen Nucleolipid-Kopfgruppen synthetisiert und auf ihr Einlagerungsverhalten in künstliche Lipid-Bilayer untersucht. Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass alle Lipo-Oligonucleotide in der Lage sind, sich in künstliche Lipid-Bilayer einzulagern. Abhängig von der Struktur, der Länge und der Anzahl der C-Atom-Ketten dieser lipophilen Anker-Bausteine wurden die Geschwindigkeit und die Festigkeit der Verankerung im Lipid-Bilayer beeinflusst. Des Weiteren wurde die Hybridisierung von LONs mit komplementären Oligomeren an Lipidmembranen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die im Bilayer verankerten Lipo-Oligonucleotide mit komplementären Oligomeren DNA-Duplexe bilden. Die hybridisierte DNA wurde nicht nur über einen kovalent gebundenen Cy5-Fluorophor am Gegenstrang nachgewiesen, sondern auch über den DNA-Interkalator SYBR Green I (SG). Am Beispiel von zwei Lipo-Oligonucleotiden (LON 20 und 23), die sich schnell und fest in der Bilayermembran verankern, konnte eine spontane Akkumulation dieser LONs an CHCl3/H2O sowie H2O/n-Decan Grenzflächen direkt nach der Probenzugabe beobachtet werden. Diese und andere Ergebnisse stützen den Einsatz von Lipo-Oligonucleotiden als Ziel-Oligomere in einem neuartigen RNA/DNA-Nachweisverfahren an Phasengrenzen.