Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’ARN est sans aucun doute la molécule biologique la plus versatile qui soit. Tout comme l’ADN, il peut contenir et transmettre de l’information génétique. Tout comme les protéines, il peut accomplir une multitude de fonctions biologiques. De plus, son rôle le plus connu demeure celui d’intermédiaire entre l’ADN et les protéines. L’ARN est donc au cœur d’un bon nombre de processus biologiques. Ceci lui confère un immense potentiel thérapeutique qui jusqu’à présent demeure largement inexploité. Pour accomplir ses fonctions, l’ARN doit adopter une structure tridimensionnelle précise qui est dépendante à la fois de sa séquence et de son environnement. Ainsi, en modifiant la structure d’un ARN, il est possible d’en moduler sa fonction. C’est l’objectif global des travaux présentés dans cette thèse. Pour y parvenir, de courts oligonucléotides antisens (OA) ont été utilisés. Cette stratégie revêt plusieurs avantages. Comme les OA s’apparient à leur cible en formant des paires de bases Watson-Crick, ils offrent une grande spécificité et leur design est facile. De plus, en se fiant aux données structurales et aux logiciels de prédictions de structures des ARN, on peut aisément identifier les régions à cibler avec les OA. Enfin, cette technique est versatile puisqu’on peut cibler différents motifs d’ARN. La première cible a été le ribozyme du virus de l’hépatite D. Cet ARN, qui catalyse une réaction d’auto-coupure, a été modifié afin que son activité devienne dépendante à la liaison d’OA. Plusieurs modules ont ainsi été créés et combinés afin d’obtenir des ribozymes qui répondaient à la présence d’un ou plusieurs OA. En insérant ces interrupteurs moléculaires dans les régions non traduites d’un ARNm, nous avons ainsi modulé l’expression de ce gène avec les OA. Cet outil a des applications intéressantes pour la régulation de gènes en biologie synthétique. Un autre motif ciblé a été le G-quadruplex (G4). Cette structure non canonique exerce de nombreuses fonctions biologiques et représente donc une cible thérapeutique intéressante. Lorsque présent dans la région 5’ non traduite d’un ARNm, le G4 mène généralement à une diminution de la traduction. En utilisant des OA qui empêchent la formation du G4, nous avons été en mesure d’augmenter la traduction du gène ciblé. De plus, il a été possible de développer des OA qui favorisent la formation d’un G4 dans le but de diminuer l’expression de la cible. Finalement, dans le dernier chapitre de cette thèse, il est démontré que les G4 présents dans les microARN primaires influencent leur maturation en microARN matures. Des OA ciblant ces G4 ont été utilisés afin de favoriser la maturation de microARN suppresseurs de tumeurs, ce qui présente un potentiel thérapeutique intéressant. En bref, les travaux présentés dans cette thèse démontrent clairement que les OA sont un outil de choix pour cibler et modifier la structure de motifs d’ARN spécifiques. / Abstract : RNA is a versatile biological molecule. Like DNA, it can contain and transmit genetic information. Like proteins, it can accomplish multiple biological functions. Also, its most known role remains that of intermediary between DNA and proteins. RNA is thus a key player in many biological processes. This gives it an immense therapeutic potential which remains largely untapped. To fulfill its functions, RNA must adopt a precise threedimensional structure that is dependent on both its sequence and its environment. Thus, by modifying the structure of an RNA, it is possible to modulate its function. This is the overall objective of the work presented in this thesis. To achieve this, small antisense oligonucleotides (ASO) have been used. This strategy has several advantages. As ASO bind their target with Watson-Crick base pairs, they offer great specificity and their design is easy. Moreover, reliance on structural data and RNA structure prediction softwares makes it easy to identify the regions to be targeted with ASO. Finally, this technique is versatile since it is possible to target different RNA motifs. The first target was the HDV self-cleaving motif. This RNA, which catalyzes a self-cleaving reaction, has been modified so that its activity became dependent on the binding of ASO. Several modules were thus created and combined in order to obtain ribozymes which responded to the presence of one or more ASO. By inserting these molecular switches into an mRNA’s UTR, the expression of this gene was modulated with the ASO. This has interesting applications for the regulation of genes in synthetic biology. Another target motif was the G-quadruplex (G4). This non-canonical structure exerts many biological functions and therefore represents an interesting therapeutic target. When present in the mRNA’s 5’UTR, G4 generally lead to a decrease in translation. Using ASO that prevent G4 formation, we were able to increase the translation of the target gene. In addition, it has been possible to develop ASO which promote the formation of a G4 in order to decrease the expression of the target. Finally, in the last chapter of this thesis, it is demonstrated that the G4 present in the primary microRNAs influence their maturation in mature microRNAs. ASO targeting these G4 have been used in order to promote the maturation of tumor suppressor microRNAs, which has an interesting therapeutic potential. The work presented in this thesis clearly demonstrates that ASO are ideal for targeting and altering the structure of specific RNA motifs.

Les microARN (miARN) sont de petits ARN non-codants dont la principale fonction est de réprimer l’expression génique en s’hybridant par complémentarité de séquence à leurs cibles ARN. L’activité des miARN est également régulée par leurs cibles qui entrent en compétition pour leur liaison. Certains de ces ARN compétiteurs endogènes (ARNce) résistent à la répression induite par le miARN et vont alors les séquestrer. Ils sont appelés éponges à miARN. La dérégulation des réseaux d’ARNce et des éponges à miARN est impliquée dans des processus pathologiques tels que le cancer. Au cours de ma thèse, nous nous sommes intéressés à la séquestration des miARN dans le mélanome cutané. Le mélanome provient de la transformation maligne du mélanocyte, une cellule spécialisée dans la production de pigment. S’il n’est pas pris en charge à temps, des métastases apparaissent et se disséminent rapidement dans l’organisme (ganglions, foie, poumons, cerveau, etc.). Des solutions thérapeutiques existent mais une faible proportion de patients y répondent de manière efficace nécessitant de nouvelles stratégies de traitement. Nous avons mis en évidence que l’ARN messager (ARNm) de TYRP1, gène spécifiquement exprimé dans le mélanocyte et donc le mélanome, porte le rôle d’éponge à miARN dans le mélanome métastatique. Ce rôle est indépendant de la fonction protéique de TYRP1. Nous avons déterminé que l’ARNm de TYRP1 séquestre le suppresseur de tumeurs miR-16 via des sites de liaison (MRE-16) non-canoniques. Les MRE-16 non-canoniques permettent à l’ARNm de TYRP1 de ne pas être dégradé par le miR-16 et le rendent donc plus stable dans la cellule de mélanome. La majorité du pool de miR-16 est ainsi séquestrée et ne peut donc plus réprimer ses cibles intervenant dans la prolifération cellulaire et la croissance tumorale in vivo. Afin de remettre en activité le miR-16 au sein de la cellule de mélanome, nous avons utilisé la technologie du « target site blocker » (TSB), un oligonucléotide antisens modifié ayant une forte stabilité et affinité pour sa cible. Le TSB, spécifique du MRE-16 de l’ARNm de TYRP1, entre en compétition pour la liaison à l’ARNm de TYRP1 avec le miR-16 pour permettre sa libération et son action sur ses cibles effectrices. Nous avons montré in vitro et in vivo via un modèle murin de xénogreffe de tumeur dérivée de patient que la stratégie du TSB est efficace contre le mélanome métastatique. Ces travaux ont permis l’identification d’un nouveau mécanisme oncogénique basé sur la séquestration de miARN et proposent une nouvelle stratégie de thérapie ciblée contre le mélanome métastatique. / MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs. They fine tune gene-expression through specific complementary interaction with their RNA targets. The miRNA repressive function towards a given RNA is highly regulated and in part dependent on the abundance of its other targets competing for miRNA’s binding. Some of these competing endogenous RNAs (ceRNAs) can resist to miRNA-mediated RNA decay thereby sequestering miRNAs. They are named miRNA sponges. Deregulation of ceRNAs and miRNA sponges networks are implicated in many pathologic processes including cancer. My PhD work focused on miRNA sequestration in cutaneous melanoma. Melanomas arise from the malignant transformation of melanocytes; the skin-cell specialized in pigment production. Most melanoma undergoes metastatic evolution, with metastatic cells spreading rapidly in the entire organism (lymph node, liver, lungs, brain, etc.). Early and complete resection of primary in situ melanoma is thus determinant for patient outcome. Since 2010, potent therapeutic options have been developed. Unfortunately, patients ultimately develop resistance while some are non-responders. There is thus an urgent need to develop new therapeutic strategies to treat metastatic melanoma. We have identified that the Tyrosinase Related Protein 1 (TYRP1) mRNA function as a miRNA sponge. TYRP1 is specifically expressed in the melanocytic lineage. TYRP1 mRNA governs melanoma growth endorsing thereby a non-coding function. We demonstrated that TYRP1 mRNA sequesters the tumor suppressor miR-16 via non-canonical miRNA binding sites (MREs-16). Non-canonical miR-16 binding lacks mRNA decay function favoring TYRP1 mRNA stability and miRNA sequestration. Sequestered miR-16 can no more repress its canonical targets involved in cell proliferation and tumor growth. To reset miR-16’s activity and block melanoma growth, we used “Target Site Blocker” (TSB). TSBs are modified antisense oligonucleotides with enhanced stability and affinity to its target. We designed a TSB, named TSB-T3, overlapping specially TYRP1 non-canonical MRE-16. We first showed that TSB-T3 binds to TYRP1 mRNA and competes with miR-16. Freed miR-16 binds to its canonical targets inducing their decay. TSB-T3 blocks melanoma cell growth in vitro and in vivo, using patient-derived tumor xenograft. We thus showed for the first time that TSB’s strategy redirecting a tumor suppressor miRNA is a potent tool to monitor metastatic melanoma growth. Together my PhD work brings out a new oncogenic mechanism based on miRNA sequestration and proposes an original strategy of targeted therapy against metastatic melanoma.

La protoporphyrie érythropoïétique (PPE) est une maladie héréditaire rare caractérisée par un déficit en activité FECH responsable d’une accumulation de PPIX. Elle se manifeste par une photosensibilité très invalidante. Il n’existe pas de traitement efficace pour la PPE. 95 % des malades présentent un allèle FECH hypomorphe (c.315-48C) en trans d'une mutation FECH délétère, ce qui entraine une diminution de l'activité FECH résiduelle dans les érythroblastes en dessous d'un seuil critique d'environ 35 % de l'activité normale. L’allèle hypomorphe (c.315-48C) favorise l'utilisation d'un site cryptique d'épissage situé en -63 de l’intron 3 générant un ARNm FECH incluant une partie de l’intron 3 et possédant un codon stop prématuré. L’ARN est alors dégradé par NMD pendant sa maturation. Nous avons déjà identifié un oligonucléotide antisens (ASO-V1) qui redirige l'épissage vers le site accepteur physiologique de l’intron 3 et augmente la production d’ARN FECH WT. Nous avons développé par ce travail une nouvelle stratégie d’adressage d’ASO-V1 en utilisant des peptides ciblant le récepteur de la transferrine (RTf1) qui est exprimé à un niveau très élevé dans les progéniteurs érythroïdes en différenciation concomitamment à la FECH. Nous avons développé des peptides bifonctionnels à partir des séquences peptidiques ciblant le RTf1 tout en les couplant à des séquences Cell Penetrating Peptide (CPP) qui facilitent la sortie de l’ASO-V1 de la vésicule endosomale. Après la transfection des lignées lymphoblastoïdes de malades PPE par différents nanocomplexes RTf1-CPP/ASO-V1, nous avons pu montrer que plusieurs des peptides bifonctionnels utilisés permettaient une redirection efficace et prolongée de l’épissage cryptique vers l’épissage physiologique exon3-exon4 et que cela permettait une correction des taux d’ARN FECH WT. Nous avons ensuite testé l’effet des nanocomplexes RTf1-CPP/ASO-V1, ex vivo, dans les progéniteurs érythroïdes en différenciation de différents sujets atteints de PPE et nous sommes arrivés à augmenter l’ARN FECH WT et diminuer significativement l’accumulation de la PPIX dans ces cellules par rapport à celles transfectées par des nanocomplexes RTf1-CPP/ASO-Mock. La prochaine étape de notre étude serait d’apporter la preuve de concept, in vivo, dans un modèle murin humanisé de PPE après l'administration de nanocomplexes RTf1-CPP/ASOV1 / Erythropoietic protoporphyria (EPP) is a rare hereditary disease characterized by a deficiency in FECH activity responsible for the accumulation of PPIX. EPP is manifested by a very disabling photosensitivity. There is no effective treatment for EPP. 95% of the patients present a hypomorphic FECH allele (c.315-48C) in trans of a deleterious FECH mutation, resulting in a decrease in residual FECH activity in erythroblasts below a critical threshold of about 35% of normal activity. The hypomorphic allele (c.315-48C) promotes the use of a cryptic splicing site located at -63 of the intron 3 generating a FECH mRNA including a part of the intron 3 and possessing a premature stop codon. The RNA is then degraded by NMD during its maturation. We have previously identified an antisense oligonucleotide (ASO-V1) that redirects splicing to the physiological acceptor site of intron 3 and increases the production of WT FECH mRNA. Here, we developed a new ASO-V1 addressing strategy using transferrin receptor (TRf1) targeted peptides. TfR1 is expressed at a very high level in differentiating erythroid progenitors concomitantly with FECH. We developed bifunctional peptides from peptide sequences targeting TfR1 while coupling them to Cell Penetrating Peptide (CPP) sequences that facilitate the release of ASO-V1 from the endosomal vesicle. We transfected the lymphoblastoid cell lines from EPP patients by different TfR1-CPP/ASO-V1 nanocomplexes and we demonstated that several of the bifunctional peptides allowed an efficient and prolonged redirection of the cryptic splicing towards the exon3-exon4 physiological splicing and the correction of the WT FECH mRNA levels. Then, we tested the effect of TfR1-CPP/ASO-V1 nanocomplexes, ex vivo, in differentiating erythroid progenitors of different EPP subjects and we were able to increase WT FECH mRNA and decrease significantly the accumulation of the PPIX in these cells compared to those transfected by TfR1-CPP/ASO-Scr nanocomplexes. The next step of our study would be to provide a proof of concept, in vivo, in a humanized murine model of EPP after the administration of TfR1-CPP/ASOV-1 nanocomplexes

La carcinose péritonéale est une atteinte néoplasique métastatique de la séreuse péritonéale caractérisée par la diffusion de multiples nodules tumoraux. Son pronostic est sombre, marqué par une chimiorésistance. Les traitements intrapéritonéaux, développés pour délivrer des drogues de chimiothérapie anti-cancéreuse directement au contact de ces nodules, ont permis d’améliorer en partie les résultats oncologiques de cette pathologie. Le principe est de mettre à profit la barrière péritonéo-plasmatique pour administrer des posologies plus élevées de drogues, directement au contact des nodules, et ainsi majorer leur cytotoxicité. En stratégie curative, la chimiothérapie intrapéritonéale est associée à une chirurgie de cytoréduction (CRS) complète et son efficacité est majorée par l’adjonction d’une hyperthermie (ChimioHyperthermie IntraPéritonéale - CHIP). Si ce traitement combiné a transformé le pronostic de patients sélectionnés, les résultats restent insatisfaisants. Par exemple les patients atteints de carcinose d’origine colorectale présentent un taux de survie globale à 5 ans de 40% lorsqu’ils sont éligibles à la CRS-CHIP et une médiane de survie de l’ordre de 16 mois quand le traitement se cantonne à de la chimiothérapie systémique.Une meilleure compréhension des mécanismes cellulaires impliqués dans cette chimiorésistance est donc nécessaire pour déterminer de nouvelles cibles thérapeutiques. Les protéines de choc thermique jouent un rôle fondamental dans l’homéostasie protéique intracellulaire en agissant comme protéines chaperonnes et en régulant l’architecture du cytosquelette. L’Hsp27 (ou HspB1) en particulier est impliquée dans la réponse à différents stress cellulaires comme le choc thermique, le stress oxydatif et l’exposition aux drogues de chimiothérapie. Via des mécanismes finement régulés, Hsp27 exerce une protection garantissant la survie cellulaire, en adaptant ses niveaux d’expression, d’oligomérisation et de phosphorylation. Le taux d’Hsp27 est dès lors augmenté dans la plupart des cancers et apparaît comme marqueur fort de mauvais pronostic. Cela en fait un acteur clé de la chimiorésistance et une cible thérapeutique potentielle.Parmi les thérapeutiques ciblées basées sur l’ARN, les oligonucléotides antisens (ASO) sont des molécules issues du génie génétique capables de bloquer spécifiquement la traduction d’un ARN messager cible en protéine. L’apatorsen, un ASO anti-Hsp27 de deuxième génération, a été développé pour bloquer la synthèse d’Hsp27 au sein de la cellule cancéreuse et ainsi rétablir la chimiosensibilité. Après avoir mis en place un modèle de carcinose péritonéale colorectale traitée par CRS et CHIP chez le rat, nous avons étudié in vitro et in vivo, l’effet de l’adjonction de l’apatorsen au traitement standard de cette maladie. Nos résultats ne montrent pas de gain significatif de survie et donnent lieu à une discussion sur cette stratégie de traitement / Peritoneal carcinomatosis is a neoplasic metastatic process of the peritoneal serous lining characterized by the spread of multiple tumoral nodules. The prognosis of such attempt is very poor, characterized by a global chemoresistance. Intraperitoneal treatments were developed to improve drug’s cytoxicity by delivering them directly on nodules. The principle is to take advantage of the peritoneal-plasma barrier that allows to deliver higher drug’s concentration directly onto nodules and so to improve cytotoxicity. In curative intent strategy intraperitoneal chemotherapy is combined to a complete surgical cytoreduction (CRS) and to hyperthermia to enhance efficiency (Hyperthermic Intraperitoneal Chemotherapy - HIPEC). Thanks to this strategy overall survival improved in selected patients but still be flawed. For example, patients with colorectale peritoneal carcinomatosis present a 40% five-year overall survival, whereas those not eligible to that aggressive treatment present a 16 months median survival. So a better understanding of cellular molecular mechanisms responsible for this chemoresistance that will allow identifying new therapeutic targets is needed. Heat shock proteins play a fundamental role in intracellular protein homeostasis by acting as chaperone and regulating cytoskeleton architecture. In particular, Hsp27 acts as a regulator of the cellular response to various stress, such as thermic choc, oxidative stress, exposition to antineoplasic drugs. Through finely regulated process, Hsp27 exerts a cytoprotective role to guaranty cell survival, by adapting its level of expression, oligomerization and phosphorylation. As so Hsp27 is a key actor of chemoresistance and a designated therapeutic target.Antisens oligonucleotides are a new class of molecular targeted treatment able to specifically block the traduction into protein of a messenger RNA. Apatorsen, a second generation anti-Hsp27 ASO, has been developed to decrease Hsp27 levels in neoplastic cells and so restore chemosensitivity.After establishing a colorectal peritoneal carcinomatosis rat model with CRS and HIPEC, we studied in vitro and in vivo the effect of the apatorsen adjunction to this standard treatment. Our results did not show a significant survival improvement and give rise to a discussion upon this treatment strategy

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées. / Antisens oligonucleotides (ONs) present great potential as therapeutic agents. However, their physicochemical properties hinder their use in gene therapy. Targeting systems, such as polyion complex micelles (PICMs), have been proposed to circumvent the main hurdles related to ON delivery. Their unique core/shell structure can protect the ON against premature degradation and the coupling of a ligand on their surface can increase their specificity and internalization. In other systems, a polymer with pH-sensitive properties can be added to facilitate the release of the ON from the endosome and increase its efficiency. The present work was aimed at optimizing ternary PICMs targeted for the delivery of antisens ON. Such systems would provide both cellular internalization of cargo by interaction with receptors on the surface of cell membranes and escape from the endosome through a mechanism of destabilization of the endosomal membrane. PICMs composed of cationic copolymers of poly(ethylene glycol)-bloc-poly((alkylamino)ethyl methacrylate) with a methacrylic acid copolymer adjuvant were prepared. Their physicochemical properties suggest that efficient complexation of nucleic acids was obtained, regardless of the nature of the cationic polymer and the nature of the nucleic acid. Finally, a synthetic approach was developed for the conjugation of an antibody fragment directed against the transferrin receptor via a labile disulfide bond at the end of the cationic copolymer. In conclusion, the work presented herein displays the versatility and potential of ternary PICMs as vehicles for the delivery of ONs and also provides a method for the conjugation of a ligand to generate targeted ternary PICMs.

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées. / Antisens oligonucleotides (ONs) present great potential as therapeutic agents. However, their physicochemical properties hinder their use in gene therapy. Targeting systems, such as polyion complex micelles (PICMs), have been proposed to circumvent the main hurdles related to ON delivery. Their unique core/shell structure can protect the ON against premature degradation and the coupling of a ligand on their surface can increase their specificity and internalization. In other systems, a polymer with pH-sensitive properties can be added to facilitate the release of the ON from the endosome and increase its efficiency. The present work was aimed at optimizing ternary PICMs targeted for the delivery of antisens ON. Such systems would provide both cellular internalization of cargo by interaction with receptors on the surface of cell membranes and escape from the endosome through a mechanism of destabilization of the endosomal membrane. PICMs composed of cationic copolymers of poly(ethylene glycol)-bloc-poly((alkylamino)ethyl methacrylate) with a methacrylic acid copolymer adjuvant were prepared. Their physicochemical properties suggest that efficient complexation of nucleic acids was obtained, regardless of the nature of the cationic polymer and the nature of the nucleic acid. Finally, a synthetic approach was developed for the conjugation of an antibody fragment directed against the transferrin receptor via a labile disulfide bond at the end of the cationic copolymer. In conclusion, the work presented herein displays the versatility and potential of ternary PICMs as vehicles for the delivery of ONs and also provides a method for the conjugation of a ligand to generate targeted ternary PICMs.

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques. / Cancer is considered as the leading cause of premature death in Canada. Taxanes (e.g. paclitaxel and docetaxel (DCTX)) are effective against a range of solid tumors including breast, lung, and ovarian malignancies. In addition, nucleic acids (e.g. antisense oligonucleotides (AON) and short interfering RNA (siRNA)) which are capable of selectively suppressing oncogenes involved in carcinogenesis are currently being investigated for the treatment of a wide variety of cancers. Although the activity of taxanes and nucleic acid drugs is well-established in human and/or animal models, several physicochemical and clinical issues still need to be addressed. Low aqueous solubility (i.e. taxanes), rapid degradation in the blood (i.e. nucleic acids), fast clearance, non-selectivity and toxicity to normal tissues are limiting factors to their effectiveness. Hence, many efforts have been focused on developing targeted polymeric delivery systems to overcome the problems associated with the current therapies. In this thesis, two types of polymeric micelles have been developed for the delivery of DCTX and nucleic acids. On the one hand, poly(ethylene oxide)-block-poly(butylene oxide/styrene oxide) micelles were tested for the first time to solubilize and protect DCTX from hydrolytic degradation. The polymers showed less toxicity than the surfactant used commercially to dissolve DCTX (i.e. polysorbate 80) and released the drug in a sustained fashion. On the other hand, two different systems of polyion complex micelles (PICM) were developed for the sustained release and intracellular delivery of nucleic acids. Novel poly(ethylene glycol) (PEG)-oligonucleotide conjugates were assessed to protect AON against degradation and release them in a sustained manner. When these conjugates were mixed with poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimers, monodisperse PICM were formed. These PICM further slowed down AON release and significantly protected it against enzymatic degradation. In addition, the incorporation of poly(ethylene oxide)-block-poly(propyl methacrylate-co-methacrylic acid) was exploited to impart pH-sensitivity to PAMAM-based PICM. This system was composed of the previous copolymer mixed with PAMAM dendrimer. Such PICM were loaded with AON or siRNA targeting the Bcl-2 oncogene. Micelles uptake by the cancer cells was mediated by a monoclonal antibody fragment (i.e. Fab') positioned at the extremity of the PEG corona. Upon cellular uptake and protonation of the methacrylic acid units in the acidic endosomal environment, the micelles lost their corona, thereby exposing their positively-charged endosomolytic PAMAM/nucleic acid core. The targeted, pH-sensitive PICM were found to increase the intracellular bioavailability of the entrapped nucleic acids and knock down the Bcl-2 oncoprotein more than either non-targeted micelles or commercial PAMAM dendrimers. The polymeric nanocarriers reported in this thesis appear to be promising vehicles for the delivery of anticancer drugs and nucleic acids.

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