Les peptides pénétrants (CPP) se caractérisent par deux propriétés : ils pénètrent dans l'espace intracellulaire et favorisent l'internalisation de cargaisons moléculaires auxquelles ils sont associés. Si les CPP sont très utilisés comme vecteurs en recherche fondamentale, la méconnaissance des mécanismes de pénétration et de leurs distributions intracellulaires limite leur utilisation thérapeutique. Il est admis que les CPP et leurs cargaisons sont internalisés par transport actif (endocytose) et par transport passif (translocation directe). J'ai étudié la translocation directe à l'échelle moléculaire en utilisant des membranes modèles. Les CPP usuels sont internalisés et permettent l'accumulation de cargaisons dans des vésicules unilamellaires. J'ai alors démontré que la translocation directe se déroule via la formation de complexes neutres et hydrophobes CPP-phospholipides.La pénétration intracellulaire des CPP est le plus souvent étudiée par microscopie confocale. J'ai démontré que des fortes concentrations locales de CPP induit une auto-inhibition de leur fluorophore. Cet artefact a conduit à des erreurs d'interprétation dans la littérature quant à la localisation des CPP. Un protocole permettant de révéler la fluorescence éteinte a été proposé et conduit à réévaluer la localisation subcellulaire des CPP ainsi que l'importance relative des mécanismes d'internalisation.Ces résultats ont permis de développer rationnellement de nouveaux vecteurs pénétrants : les oligoarginines acylées par des chaînes grasses dont des insaturations sont de stéréochimie cis. Leur internalisation passive particulièrement importante conduit à la libération de la cargaison dans le cytosol. / Cell penetrating peptides (CPPs) are short cationic sequences capable of shuttling bioactive cargoes into eukaryotic cells. If CPPs are common delivery tools in basic research, their therapeutic use is currently limited because their internalization mechanisms and intracellular distributions remain to be elucidated. In living cells there is evidence for both endocytosis of the CPPs and for “direct translocation”, an energy-independent uptake pathway. I analyzed the direct translocation phenomenon at the molecular level with model membranes. CPPs are internalized into large unilamellar vesicles and trigger the internalization of various cargoes. I then demonstrated that direct translocation occurs through membranes via the formation of a neutral and hydrophobic CPP-anionic phospholipids complex. CPPs internalization is mostly analyzed by confocal microscopy. I demonstrated that fluorescence self-quenching occurs if fluorescently labeled CPPs are locally too concentrated. This severe artifact led to misinterpretation of the subcellular distribution of CPPs. I developed a reliable procedure to avoid this artifact and ranked subcellular regions of living cells depending on their CPP concentration. As a result, I was able to rationalize the subcellular distribution of CPPs and to deduce their penetration mechanisms. The studies that I performed provided valuable information that I used to design a new family of delivery vectors: minimalist oligoarginines peptides acylated by unsaturated fatty acids (cis unsaturations). The direct translocation of these lipopeptides is particularly important yielding to an efficient delivery of a cargo inside the cytosol of living cells.

Le but de cette thèse de doctorat fut de développer des nanoparticules pour la délivrance de deux molécules hydrophobes de faible poids moléculaire, l’apigénine (AG) et un ferrocifène (FcTriOH), comme stratégie innovante pour le traitement du glioblastome(GBM). Dans un premier temps, différents types de nanoparticules, liposomes, nanocapsules lipidiques (LNC), et nanocapsules à base de polymères, furent formulés et comparés en termes de caractéristiques physico-chimiques, de libération en drogue ou encore de toxicité. Les LNCs furent ainsi sélectionnées. Dans un deuxième temps, les LNCs furent fonctionnalisées en surface par un peptide pénétrant (CPP). La concentration de peptide fut augmenté afin d’améliorer significativement l’internalisation des LNCsdans des cellules humaines de GBM. Les mécanismes de macropinocytose et d’endocytose dépendant de la clathrine et de la cavéoline furent observés. De plus, il fut montré que l’internalisation de ces LNCs fonctionnalisées était réduite dans les cellules saines humaines d’astrocyte. L’efficacité biologique des LNCs chargées en AG et chargées en FcTriOH fut évaluée et comparée : le résultat le plus prometteur fut obtenu avec les LNCs chargées en FcTriOH. Une administration intracérébrale des LNCs sur un modèle tumoral murin orthotopique montra une potentielle toxicité et un besoin d’optimiser la dose administrée. Pour finir, les études menées sur un modèle tumoral ectopique murin montrèrent des résultats prometteurs, après une administration parentérale des LNCs chargées en FcTriOH. Ainsi, cette dernière formulation pourrait ouvrir la voie au développement d’une stratégie thérapeutique alternative pour le traitement du GBM. / The aim of this thesis was to develop nanocarriers for efficient delivery of two low molecular weight hydrophobic drugs, apigenin (AG) and a ferrocifen-derivative(FcTriOH) to glioblastoma (GBM) as potential therapeutic strategies. Firstly, two liposomes, a lipid nanocapsule (LNC), and a polymer-based nanocapsule were develope dand compared by their physicochemical characteristics, drug loading capacity, storage stability, stability in biological serum, drug release profiles, complement consumption and toxicity. Due to various advantageous characteristics, the LNCs were selected for further optimization. Secondly, the LNCs were surface functionalized by adsorbing a GBM-targeting cellpenetratingpeptide (CPP). The CPP concentration increased to significantly enhance LNCinternalization in human GBM cells. The uptake mechanisms observed in U87MG cellswere : micropinocytosis, clathrin-dependent and caveolin-dependent endocytosis. Moreover, the optimized CPP-functionalized LNCs were internalized preferentially in theGBM cells compared to normal human astrocytes. Additionally, the in vitro efficacy of the AG-loaded and FcTriOH-loaded LNCs was evaluated. The FcTriOH-loaded LNC-CPP showed the most promising activity with a low IC50 of 0.5 μM against U87MG cells. Intracerebral administration of the LNCs in a murine orthotopic U87MG tumor modelshowed possible toxic effects and the need for dose optimization. Finally, studies inmurine ectopic U87MG tumor model showed promising activity after parenteral administration of the FcTriOH-loaded LNCs. Overall, these results exhibit the promising activity of FcTriOH-loaded LNCs as potential alternative GBM therapy strategy.

Des travaux menés au laboratoire sur la biologie des neurofilaments et sur leurs interactions avec les autres constituants du cytosquelette ont montré, sur différents filaments intermédiaires, des sites de fixation de la tubuline libre TBS (« tubulin-binding site »). Parmi les peptides synthétisés correspondants à ces séquences, le peptide NFL-TBS.40-63 issu de la sous-unité légère des neurofilaments (NFL) a révélé in vitro et in vivo des propriétés de ciblage et une action anti-tumorale sur des cellules de glioblastome, tumeur cérébrale la plus fréquente et la plus agressive, pour laquelle l’efficacité des traitements actuels reste très limitée. L’intérêt thérapeutique de ce peptide est renforcé par le fait qu’il entre peu et qu’il n’a pas d’effet cytotoxique dans des cellules saines (astrocytes, neurones). Dans cette thèse les travaux décrivent les mécanismes d’entrée du peptide NFL-TBS.40-63 dans les cellules de glioblastome, pour mieux comprendre sa sélectivité. Sa spécificité d’action dans ces cellules a été complétée en analysant les effets du peptide sur l’organisation et la fonction mitochondriales. Enfin, nous montrons que le peptide cible des cellules souches neurales, qui pourraient être à l’origine du développement des glioblastomes, et qui pourraient servir d’outil thérapeutique dans de nombreuses pathologies cérébrales, telles que des lésions traumatiques et des maladies neurodégénératives. Ces travaux indiquent que le peptide NFL-TBS.40-63 représente un outil prometteur dans la stratégie thérapeutique des glioblastomes. Il peut aussi permettre de cibler les cellules souches neurales pour développer de nouveaux traitements des pathologies cérébrales. / In the laboratory, investigations on neurofilament biology and on their interactions with other cytoskeleton components showed tubulin-binding sites (TBS) on different intermediate filaments. Among the synthesized peptide corresponding to these sequences, the NFLTBS.40-63 peptide derived from the neurofilament light subunit (NFL), revealed in vitro and in vivo targeting properties and anti-tumour effect on glioblastoma cells, the most frequent and aggressive brain tumour, for which current treatments show very limited effects. The therapeutic value of this peptide is reinforced by its lower uptake and the lack of a major cytotoxic effect in healthy cells (astrocytes, neurons). Works in this thesis describe the uptake mechanisms of the NFL-TBS.40-63 peptide in glioblastoma cells, to better understand its selective internalization. Its specificaction on glioblastoma cells has been completed by the analysis of the peptide effects on the mitochondrial organization and function. Finally, we show that the peptide targets neural stem cells, which could be at the origin of glioblastoma, and serve as a therapeutic tool inseveral brain diseases, such as traumatic injuries and neurodegenerative diseases. Altogether these works indicate that this NFL-TBS.40-63 peptide is a promising tool for therapeutic strategies of glioblastoma. It can also target neural stem cells in order to develop new treatments for various brain disorders.