La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des cancers prometteuse, mettant en jeu une action combinée de l’oxygène moléculaire, de la lumière et d’un photosensibilisateur (PS). Néanmoins, les PSs utilisés souffrent d’une faible solubilité dans les milieux aqueux ainsi que d’un tumorotropisme limité qui sont des barrières à la réussite du traitement. Ainsi, actuellement, une attention particulière est portée au développement de nanoparticules (NPs) capables de pallier les défauts des PSs. Notre travail a consisté à étudier des dendrimères poly(amidoamine) (PAMAM), macromolécules polymériques tridimensionnelles, conjugués via une liaison covalente au PS, la Chlorine e6 (Ce6). Cette construction nous a permis de vectoriser 32 molécules de Ce6 par dendrimère. La production d’oxygène singulet et l’émission de fluorescence ont été modérément affectées par le greffage covalent de la Ce6 aux NPs. In vitro, les dendrimères PAMAM ont permis d’accroitre l’efficacité PDT de la Ce6 en potentialisant son internalisation cellulaire via un mécanisme actif d’endocytose. Néanmoins, l’efficacité PDT des NPs est limitée par la concentration locale élevée en Ce6 en périphérie des dendrimères qui réduit son rendement quantique en oxygène singulet moléculaire, espèce cytotoxique. Une libération de la Ce6 permettrait ainsi de potentialiser l’efficacité PDT des NPs en restaurant notamment les propriétés photophysiques de la Ce6. La suite de ce travail a été de concevoir une NP capable de libérer la Ce6 sous l’action d’estérases retrouvées dans les cellules. Leur caractérisation a permis de démontrer en solution que les propriétés photophysiques de la Ce6 étaient rétablies à la suite de son relargage des NPs. Cette dernière construction clivable est prometteuse pour de futures applications en PDT / Photodynamic therapy (PDT) is a modality of cancer treatment, involving a combined action of molecular oxygen, light and photosensitizers (PS). However, the PSs suffer from a low solubility in aqueous media and limited tumor accumulation, diminishing the treatment success. Presently, particular attention is paied to the development of dendrimer-based nanoparticles (NP) that are able to overcome the shortcomings of the PSs. The present study investigates the poly(amidoamine) dendrimer (PAMAM), a tridimensional polymeric macromolecule, covalently functionalized with the PS Chlorin e6 (Ce6). The singlet oxygen generation efficiency and fluorescence emission were moderately affected by the covalent binding of the Ce6 to the dendrimer. This construction allows the vectorization of 32 Ce6 molecules per dendrimer. In vitro, PAMAM dendrimers improve the PDT efficiency of Ce6 by promoting their cellular internalization via an active endocytosis mechanism. However, the PDT efficiency of NPs is limited by the high local concentration of Ce6 at the periphery of dendrimers decreasing production of singlet oxygen. Ce6 release could restore Ce6 photophysical properties and as such improve the PDT efficiency of NP. Thus, the next step of this work was to design a cleavable NP able to release the Ce6 under esterase activity. In solution the NP characterization demonstrated that the photophysical properties of Ce6 were recovered after their release from the NP. This cleavable construction displays promising perspectives for future PDT applications

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs accessibles à la lumière. Elle repose sur l'action combinée d'un photosensibilisateur qui, en présence d'oxygène et sous l'effet d'une irradiation lumineuse, induit la synthèse d'espèces réactives de l'oxygène cytotoxiques. L'effet tumoricide de la PDT se traduit par des dommages directs sur les cellules ainsi que des dommages indirects de la néovascularisation tumorale et une activation du système immunitaire. Dans cette étude, nous avons démontré dans une première partie l'intérêt de se baser sur la distribution intratumorale de la mTHPC et non pas sur les études de biodistribution pour l'optimisation des conditions de traitement par PDT et en particulier de l'intervalle drogue-lumière (IDL). Un co-ciblage des vaisseaux et du parenchyme tumoral via un fractionnement de l'administration de la mTHPC a permis d'obtenir un taux de guérisons de 100%. Cette efficacité a été corrélée à la potentialisation de la mort des cellules par apoptose et valorisée par son association à des dommages secondaires cutanés restreints. La stratégie de fractionnement de l'administration s'avère donc être très prometteuse dans un contexte clinique. Dans la seconde partie de cette étude, nous avons établi la redistribution de la mTHPC in vivo dans le modèle de la membrane chorioallantoïdienne de poulet (CAM) à partir de formulations liposomales (Foslip®, Fospeg®) et son impact sur les dommages vasculaires photoinduits par la PDT / Photodynamic therapy (PDT) is a therapeutic strategy for the treatment of small localized tumors accessible to the visible light irradiation. It is based on the combined action of photosensitizer (PS), light and molecular oxygen. Tumoricidal effect of PDT is triggered by direct damage of malignant cells and indirect vascular damage followed by an activation of the immune system. The present study investigates the relationship between photoinduced apoptosis in each compartment of interest (vascular versus neoplastic) and mTHPC-PDT treatment efficiency in function of the intratumoral distribution of mTHPC. The latter was defined by the drug-light intervals. In the first part, we demonstrated the importance of the intratumoral distribution of mTHPC to optimize photodynamic parameters. The fractionation of the PS administration permitted to obtain a tumor cure rate of 100% correlated to a massive apoptosis of pathological tissues. Moreover, this treatment strategy induced only limited skin damages and few inflammation which could be an advantage in clinical context. In the second part, we evidenced the mTHPC redistribution from liposomal formulations (Foslip®, Fospeg®) in vivo in the chick chorioallantoic membrane model (CAM) and its influence on photoinduced vascular damage

Broad distribution and activity limit the utility of anti-cancer compounds by causing unacceptable systemic toxicity and narrow therapeutic indices. To improve tumour accumulation, drug-loaded macromolecular assemblies have been designed to replace conventional surfactant-based formulations. Their nanoscale size enhances tumour accumulation via hyperpermeable vasculature and reduced lymphatic drainage. Incorporating targeting ligands introduces cell specificity through receptor-specific binding and uptake, enabling drugs to reach intracellular targets. In this work, the targeting properties of polymer nanoparticle micelles of poly(2-methyl-2-carboxytrimethylene carbonate-co-D,L-lactide)-graft-poly(ethylene glycol)-furan (poly(TMCC-co-LA)-g-PEG) were verified using in vitro and in vivo models of breast cancer. To select a relevant mouse model, the vascular and lymphovascular properties of two tumour xenograft models were compared. Greater accumulation of a model nanocarrier was observed in orthotopic mammary fat pad (MFP) tumours than size matched ectopic subcutaneous tumours, suggesting that the organ environment influenced the underlying pathophysiology. Immunostaining revealed greater vascular thickness, density and size, and thinner basement membranes in MFP tumours, likely contributing to greater blood perfusion and vascular permeability. Based on these observations, MFP tumour-bearing mice were used to characterize the pharmacokinetics and biodistribution of a taxol drug, docetaxel, encapsulated in poly(TMCC-co-LA)-g-PEG nanoparticles. The nanoparticle formulation demonstrated longer docetaxel circulation in plasma compared to the conventional surfactant-based formulation. As a result, greater docetaxel retention was uniquely measured in tumour tissue, extending exposure of tumour cells to the active compound and suggesting potential for increased anti-cancer efficacy. Furthermore, active targeting of antibody-modified nanoparticles to live cells was shown to be selective and receptor-specific. Binding isotherms were used to quantify the impact of antibody density on binding strength. The equilibrium binding constant increased linearly with the average number of antibodies per particle, which is consistent with a single antibody-antigen interaction per particle. This mechanistic understanding enables binding behaviour to be adjusted in a predictive manner and guides rational nanoparticle design. These studies validate poly(TMCC-co-LA)-g-PEG nanoparticles as a platform for targeted delivery to cancer on both a tissue and cellular level, forming a compelling justification for further pre-clinical evaluation of this system for safety and efficacy in vivo.

Broad distribution and activity limit the utility of anti-cancer compounds by causing unacceptable systemic toxicity and narrow therapeutic indices. To improve tumour accumulation, drug-loaded macromolecular assemblies have been designed to replace conventional surfactant-based formulations. Their nanoscale size enhances tumour accumulation via hyperpermeable vasculature and reduced lymphatic drainage. Incorporating targeting ligands introduces cell specificity through receptor-specific binding and uptake, enabling drugs to reach intracellular targets. In this work, the targeting properties of polymer nanoparticle micelles of poly(2-methyl-2-carboxytrimethylene carbonate-co-D,L-lactide)-graft-poly(ethylene glycol)-furan (poly(TMCC-co-LA)-g-PEG) were verified using in vitro and in vivo models of breast cancer. To select a relevant mouse model, the vascular and lymphovascular properties of two tumour xenograft models were compared. Greater accumulation of a model nanocarrier was observed in orthotopic mammary fat pad (MFP) tumours than size matched ectopic subcutaneous tumours, suggesting that the organ environment influenced the underlying pathophysiology. Immunostaining revealed greater vascular thickness, density and size, and thinner basement membranes in MFP tumours, likely contributing to greater blood perfusion and vascular permeability. Based on these observations, MFP tumour-bearing mice were used to characterize the pharmacokinetics and biodistribution of a taxol drug, docetaxel, encapsulated in poly(TMCC-co-LA)-g-PEG nanoparticles. The nanoparticle formulation demonstrated longer docetaxel circulation in plasma compared to the conventional surfactant-based formulation. As a result, greater docetaxel retention was uniquely measured in tumour tissue, extending exposure of tumour cells to the active compound and suggesting potential for increased anti-cancer efficacy. Furthermore, active targeting of antibody-modified nanoparticles to live cells was shown to be selective and receptor-specific. Binding isotherms were used to quantify the impact of antibody density on binding strength. The equilibrium binding constant increased linearly with the average number of antibodies per particle, which is consistent with a single antibody-antigen interaction per particle. This mechanistic understanding enables binding behaviour to be adjusted in a predictive manner and guides rational nanoparticle design. These studies validate poly(TMCC-co-LA)-g-PEG nanoparticles as a platform for targeted delivery to cancer on both a tissue and cellular level, forming a compelling justification for further pre-clinical evaluation of this system for safety and efficacy in vivo.

La micro-tomodensitométrie à rayons X (dite micro-CT, CT = Computed Tomography), est une technique d’imagerie de haute résolution qui consiste d’une part à mesurer l’absorption des rayons X par les tissus, et d’autre part de reconstruire les images et les structures anatomiques en 3 dimensions par traitement informatique. L’agent de contraste est une substance capable d’améliorer la visibilité des structures d’un organe ou d’un liquide organique in vivo. Ce travail de thèse a eu pour objectif le développement d’agents de contraste iodés sous formes de nano-émulsions pour des applications précliniques en imagerie biomédicale. Nous nous sommes proposés d’étudier d’une part des nano-émulsions iodées afin d’avoir une longue rémanence vasculaire in vivo, une meilleure biocompatibilité et d’autre part de mettre au point une synthèse et une formulation plus simples que celles des agents de contraste nanoparticulaires commercialisés. Trois différentes huiles iodées ont été synthétisées et utilisées comme partie contrastante dans les nano-émulsions. Enfin, les nano-émulsions de l’α-tocophérol iodé nous ont permis d’atteindre l’objectif de cette thèse. Ces nano-émulsions iodées ont montré une très bonne biocompatibilité et combinent à la fois les propriétés d’un agent de contraste à longue rémanence vasculaire et un agent de contraste spécifique du foie. / The X-ray microtomography (called mico-CT, CT = Computed Tomography) is a high-resolution X-ray tomography, uses X-rays to create cross-sections of a 3D-object that later can be used to recreate a virtual model without destroying the original model. The contrast agent is a substance used to enhance the contrast of structures or fluids within the body in medical imaging. The purposes of the thesis were the development of iodine-containing nano-emulsion based contrast for preclinical applications in biomedical imaging. We proposed to study blood pool contrast agents based on iodine-containing nano-emulsions and to develop simpler procedure for the preparation of these iodine-containing nano-emulsions. Three different iodinated oils were synthesized and used as the contrasting part in the nano-emulsions. Finally, nano-emulsions of iodinated α-tocopherol have been enabled us to achieve the purpose of the thesis. These iodinated nano-emulsions demonstrated very good biocompatibility and showed prolonged and significant contrast enhancement in both bloodstream and liver tissues.

Les agents d’imagerie aux rayons X sont essentiels en combinaison avec la tomodensitométrie pour améliorer le contraste de manière à permettre la visualisation complète des vaisseaux sanguins et de fournir l'information structurelle et fonctionnelle de lésions permettant la détection d'une tumeur. Ces outils fondamentaux permettent également de faire la distinction entre les cellules et les agents pathogènes sains. Les agents de contraste aux rayons X commercialisés sont limités dans leur succès dans le cas du Fenestra® VC par le temps court de circulation dans le sang et celui qui est lié à l'élimination rénale rapide du corps comme dans le cas du Xenetix® (Iobitriol). Nous avons développé des agents de contraste à base d’α-tocophérol (vitamine E), de Cholécalciférol (vitamine D3), d'huile de ricin, de Capmul® MCMC8 et d’acide oléique qui sont tous dénués de toxicité, qui contiennent de l’iode sous forme de nano-émulsion et qui sont destinés à l’imagerie préclinique en μ-CT. Ces nano-émulsions formulées ont été préparées par la technique d’émulsification spontanée de basse énergie avec une légère modification pour chaque composé iodé. Ces formulations ont montré de nouvelles caractéristiques spécifiques les rendant prometteuses dans des expérimentations in vivo avec une augmentation du rapport de la toxicité et de celui des interventions thérapeutiques visées. Nous avons étudié l'effet de la taille et de la composition chimique des systèmes nanoparticulaires sur leur biodistribution, leur pharmacocinétique et leur toxicité. Ces études ont permis de mettre en évidence l’importance de la constitution chimique des agents iodés utilisés avec par exemple la vectorisation du foie dans le cas de la vitamine E et une accumulation passive dans la rate pour les formulations à base d'huile de ricin, faisant la preuve-de-concept de l'effet EPR. D'autre part, des formulations identiques ayant deux tailles de gouttelettes différentes et contenant du cholécalciférol indiquent qu’il n’y a pas de réels impacts sur la pharmacocinétique et la biodistribution mais présentaient une augmentation importante de la toxicité. Une autre étude a consisté a étudié l’effet des charges de surface des systèmes nanoparticulaires sur leur biodistribution, c’est pourquoi la nano-émulsion a été sélectionnée pour réaliser cette étude en présence d’un polymère amphiphile tel que le poly (anhydride-alt-1-octadecene maléique) (PMAO). Les résultats in vitro et les évaluations in vivo étaient tout à fait cohérents sachant que les systèmes nanoparticulaires neutres présentent moins de toxicité comparée à celles qui sont chargés négativement qui ont été capturés de manière plus importante dans les cellules causant un stress cellulaire et delà affectent la toxicité. Selon les résultats, elles présentent des biodistributions et des pharmacocinétiques différentes. Dans ce contexte, pour la première fois, nous avons pu fonctionnaliser les nanogouttes des nanoémulsions en fixant des ligands par des liaisons covalentes. Nous avons conçu des nanogouttes enrobées avec un enrobage de silice terminé par des groupements aminés et ainsi réalisé la formation de liaisons amides avec le greffage d’un colorant modèle (colorant bleu coumarine). La quantification des groupements aminés a été réalisée à l'aide de techniques spectroscopiques et microscopiques ainsi que la détermination de l'efficacité du greffage déterminé à 41%. [...] Un de nos objectifs réalisés était de concevoir des systèmes nanoparticulaires polymères multifonctionnels qui peuvent encapsuler des principes actifs hydrophobes modèles et des agents de contraste pour l’imagerie à rayons X, de sorte à construire des dispositifs théranostiques. Pour conclure, de nouveaux agents de contraste et des systèmes de délivrance ont été synthétisés ayant des caractéristiques physico-chimiques exceptionnelles et acceptables pour être utilisées in vivo avec une grande efficacité et une faible toxicité. / X-ray imaging agents are essential in combination with X-ray computed tomography to improve contrast enhancement aiming at providing complete visualization of blood vessels and giving structural and functional information on lesions allowing the detection of a tumor. As well as it is fundamental tool to discriminate between healthy cells and pathogens. We successfully limit the problems presented in commercial Xray contrast agents like poor contrasting in Fenestra® VC associated with short blood circulation time and to avoid rapid renal elimination from the body as found in Xenetix (Iobitriol). We developed nontoxic and blood pool iodine-containing nano-emulsion contrast agents serving in preclinical X-ray μ-CT imaging such as, α- Tocopherol (vitamin E), Cholecalciferol (vitamin D3), Castor oil, Capmul MCMC8 oil and oleic acid. Those formulated nanoemulsions were prepared by low energy spontaneous emulsification technic with slight modification for each platform. They showed new specific features rendering them promising agents in in vivo experiments as improving the balance between the efficacy and the toxicity of targeted therapeutic interventions. We investigate the effect of size and the chemical composition of the nanoparticles on their biodistribution, pharmacokinetics and toxicity. They demonstrated that the chemical structures of the droplet’s cores have significant role in targeting for example vitamin E was mainly accumulated in liver and castor oil formulation was passively accumulated in spleen explaining the proof-of-concept of EPR effect. On the other hand, two different platform sizes of Cholecalciferol molecule revealing that no real impact on the pharmacokinetics and biodistribution but presented remarkable effect on the toxicity. Of particular interest is studying the effect of the surface charge of nanoparticles on their biodistribution, this is why oleic acid nano-emulsion was selected to proceed this study by presence of amphiphilepolymer poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) (PMAO). The in vitro results and in vivo evaluations were completely coherent approving that the neutral charged NPs are less toxic compared to the negatively charged ones that were highly uptaked in the cells causing stress to the cells and thereby affecting the toxicity. As a result they are different in biodistribution and pharmacokinetics. In this context, for the first time, we were able to functionalize the nano-emulsion droplets with ligand molecules by covalent bonds. Likewise we designed nano-droplets and coated by silica shell ended by amino groups and then followed by formation of amide bonds with grafting to dye ligand model (coumarin blue dye). The quantification of amino groups was performed by using spectroscopic and microscopic techniques, with a grafting efficiency as high as 41%. This process improves the targeting properties of such chemotherapeutic agents to the location of interest following active targeting mechanism (ligand receptorstrategy). One of our achieved objectives was to engineer multifunctional polymer-based NPs encapsulating hydrophobic drug model as DDs and iron oxide NPs as a theranostic model. To conclude, novel contrast agents and delivering systems were synthesized with outstanding physicochemical characteristics and suitable for in vivo medium with high efficacy and low toxicity.