Synthèse et utilisation de mimes de quadruplexes contraints pour l'évaluation de ligands II est maintenant bien connu que l'ADN simple brin peut s'associer sous différentes conformations telles que la double hélice, les triplexes, les i-motifs ou bien encore les G-quadruplexes. Ces dernières années les structures de type quadruplexes (G-quadruplexes et i-motif) ont suscité un certain intérêt notamment pour leur implications au niveau cellulaire (maintenance des télomères, activation de gènes…). C'est pourquoi de nombreuses équipes travaillent sur le développement de ligands affins pour ces structures qui pourraient agir en tant qu'anticancéreux. Cependant, le fait que les quadruplexes présentent un polymorphisme important(variabilité du nombre de brins dans la structure, des différents types de boucles et de l'orientation des brins) rend la compréhension des interactions entre un ligand et le quadruplexe plus difficile. Dans ce contexte, l'équipe développe un nouveau concept, « Template Assisted Synthesis of Quadruplexes » (TASQ) dont le but est d'obtenir un quadruplexe ne présentant qu'une topologie de façon contrôlée afin de permettre des études plus précises sur la façon dont un ligand pourrait interagir avec les quadruplexes. La première partie de ce manuscrit reporte l'évaluation par résonnance plasmonique de surface de complexes métalliques en tant que ligands de G-quadruplexe. Ces études reposent sur l'utilisation d'un premier mime de G-quadruplexe parallèle sur lequel deux séries de complexes sont testées : des métalloporphyrines et des ligands de type salphen. La seconde partie du manuscrit décrit la synthèse de mimes de G-quadruplexes antiparallèle. Elle repose sur l'utilisation du gabarit peptidique qui relié aux séquences spécifiques d'oligonucléotides de façon adéquat contraint la structure. Pour se faire, deux réactions chimiosélectives ont été utilisées : la cycloaddition 1,3 dipolaire de Huisgen et la ligation oxime. Les travaux reportés concernent trois types de structure mimant un i-motifs, des G-quadruplexes tétramoléculaires ou bimoléculaires. / Synthesis and use of constrained quadruplexe mimic for the ligand evaluation It has now been shown that single stranded DNA can fold into hairpin, triplex, i-motif and G-quadruplexe structures containing non canonical base pairing. In particular quadruplex structures (G-quadruplexes and i-motif) have generated interest because the formation is considered to have important consequences at the cellular level (telomere maintenance, oncogene activation…). Therefore, the design of small molecules (ligands) targeting quadruplexes is under development, in particular to obtain anticancerous molecules. Nevertheless G-quadruplexes exhibit a wide structural polymorphism (different kind of loop, strand orientation, number of strands) making investigation of ligand tricky. In this context, we have developed a new concept called 'Template Assisted Synthesis of Quadruplex' (TASQ) with aim to constrain the G-quadruplex in a single conformation which enables the study of the interactions of ligand more specifically for a single topology. In the first part of this manuscript, we describe studies by using surface plasmon resonance (SPR) of metal complexes as G-quadruplex ligands. The investigation was performed using a first parallel G-quadruplex as model to interact with two kinds of metal complexes: metalloporphyrins and salphen. The second part of the manuscript reports the work concerning the synthesis of antiparallel quadruplexes. The strategy is based on the use of a peptide scaffold in which the suitable oligonucleotide sequences are anchored with specific orientation. For this purpose two compatible chemistries are used (1,3 dipolar Huisgen cycloaddition and oxime ligation). Three kinds of antiparallel quadruplexe mimics have been investigated: i-motif, tetramolecular G-quadruplexes and loop-constrained G-quadruplexes.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez les hommes et la capacité des tumeurs à développer une résistance face aux thérapies anti-androgéniques vient souvent compromettre le pronostic des patients. Le développement de nouvelles approches thérapeutiques afin de circonvenir à la progression de ces tumeurs représente un besoin important la gestion de ce type de cancer. Plusieurs démonstrations récentes établissent l’implication de la famille des proprotéines convertases dans la progression tumorale. Ces enzymes ont pour fonctions biologiques de cliver une variété de précurseurs protéiques jouant des rôles importants dans la tumorigénèse. Dans le cancer de la prostate, la proprotéine convertase PACE4 est fortement surexprimée dans les cellules cancéreuses et joue un rôle dans la prolifération et la capacité à former des tumeurs, ce qui en fait une cible thérapeutique d’intérêt. En ce sens, des inhibiteurs peptidomimétiques ont été développés dans l’optique de la thérapie ciblée contre la PACE4. Toutefois, dans le but de développer une approche thérapeutique optimale, il convient néanmoins de comprendre le niveau de redondance fonctionnelle entre les différents membres de la famille des convertases, qui sont connus pour partager plusieurs de leurs substrats, ainsi que les mécanismes moléculaires régissant l’activité de la PACE4 et de ses substrats sous-jacents. L’utilisation d’une approche de répression génique stable envers les différentes convertases a permis de mettre en lumière les fonctions uniques de la PACE4 dans la progression tumorale. De plus, grâce à une approche de protéomique comparative, le premier substrat de la PACE4 dans le cancer de la prostate; le growth differenciation factor 15, a été découvert. Ce substrat permet de commencer à dresser l’implication de PACE4 dans le paysage moléculaire du cancer de la prostate. Grâce à des modalités d’imagerie moléculaire, l’emploi de versions radiomarquées des inhibiteurs peptidiques a également permis de démontrer que les composés s’accumulent dans les cellules cancéreuses en fonction des niveaux de PACE4 présents, et ce, tant in cellulo qu’in vivo. Ces données suggèrent un potentiel pour le développement d’un examen théranostique pour prédire la réponse tumorale à la pharmacothérapie anti-PACE4. Finalement, l’analyse de l’épissage alternatif de l’ARNm de PACE4 a permis l’élucidation des caractéristiques biochimiques et des fonctions spécifiques d’une nouvelle isoforme; la PACE4-altCT, qui est exprimée chez les cellules cancéreuses de la prostate, mais aussi d’autres types de cancer. Cette découverte a permis de redéfinir le modèle de travail en intégrant le concept de la rétention intracellulaire de cette isoforme qui semble médier la plupart de l’activité pro-proliférative reliée à l’activité PACE4, ce qui en fait la cible pharmacologique principale des inhibiteurs peptidiques dans le cancer de la prostate, mais aussi un biomarqueur potentiel. / Abstract: Prostate cancer is the most common cancer among men. The capabilities of tumors to adapt and overcome antiandrogenic therapy is persistently worsening patient’s prognostic and the development of novel therapeutic approaches to circumvent tumor progression therefore represents an unmet need. Many reports now demonstrate the implication of the enzymes from the proprotein convertase family in the progression of tumor from many cancer types. These enzymes are responsible for the processing of various protein precursors playing important roles in tumorigenesis. In prostate cancer, the proprotein convertase PACE4 is strongly overexpressed in cancer cells and plays a role in cell proliferation and tumor formation thus making a strong case for its use as a pharmacological target. For this reason, PACE4 peptidomimetic inhibitors were generated to develop PACE4-targeted therapies. However, to develop an optimal therapeutic approach regarding the inhibition of this enzyme, a complete understanding of the level of functional redundancy between the different convertases in prostate cancer is needed. Moreover, understanding the molecular mechanisms both upstream and downstream of PACE4 in prostate cancer cells would allow a better understanding of the considerations underneath such a therapeutic strategy. Using a stable gene silencing approach to knockdown all co-expressed member of the convertase family in prostate cancer cells, the roles of PACE4 in tumor progression were found to be unique and non-redundant among the other family member. Through a comparative proteomic approach, the first PACE4-specific substrate in prostate cancer; growth and differentiation factor 15, was identified. With this substrate growth factor, it is now possible to initiate the dissection of PACE4 biochemical functions in the prostate cancer molecular landscape. Using a radiolabelled version of the PACE4 peptide inhibitors, it was possible to demonstrate using molecular imaging that when applied in cellulo and in vivo, the compound is uptaken by cancer cells as well as by tissues according to their PACE4 expression levels. These data suggest that such PACE4 molecular imaging with pharmacological inhibitor could be developed as a theranostic assay to predict which tumor could be treated by PACE4-targetted therapy. Lastly, PACE4 mRNA alternative splicing analysis permitted the discovery of a new PACE4 isoform; named PACE4-altCT, which is strongly overexpressed by prostate cancer cells as well as other cancer types. As this isoform displays specific biochemical features and functions, notably being intracellularly retained and mediating most of the PACE4-associated cell growth capabilities, this discovery further redefined our working model, pointing to PACE4-altCT as the pharmacological target of inhibitory peptides in prostate cancer as well as a potential biomarker.

Avec l’identification des antigènes tumoraux et la compréhension de la réponse immunitaire mucosale, la vaccination par voie respiratoire est devenue un champ d’investigation prometteur pour le traitement du cancer. L’objectif de cette thèse était de concevoir des vaccins peptidiques nanoparticulaires à base de liposomes, destinés à la vaccination antitumorale par voie respiratoire ou nasale. Ainsi, nous avons formulé des liposomes vectorisant un épitope peptidique TCD8+ dérivé de l’oncogène ErbB2, un épitope TCD4+ et une molécule adjuvante. Cette construction a ensuite été optimisée en faisant varier les caractéristiques physicochimiques du vecteur liposomique (taille, structure, composition) ou de la formulation (viscosité). L’efficacité antitumorale des différents vaccins ainsi obtenus a été évaluée après administration respiratoire ou nasale, prophylactique ou thérapeutique, dans un modèle de tumeurs pulmonaires ou de tumeurs sous-cutanées chez la souris. L’ensemble de ces travaux a montré un intérêt indéniable des vaccins peptidiques à base de liposomes dans la vaccination antitumorale par voie respiratoire et nasale, ouvrant de nouvelles perspectives pour le traitement du cancer. / With the identification of tumor antigens and the better understanding of the mucosal immune response, the vaccination by the respiratory route has become a promising field of investigation for cancer treatment. The purpose of this study was to develop nanoparticulate peptide-based liposomal vaccines for antitumor vaccination by respiratory or nasal route. Thus, we have prepared liposomes associating ErbB2 TCD8+ and HA TCD4+ peptide epitopes with an adjuvant molecule. This construct was then optimized by varying its physicochemical characteristics (size, structure, composition) or its formulation (viscosity). The antitumor efficacy of the various vaccines obtained thereby was evaluated in a model of pulmonary or subcutaneous tumors in mice after prophylactic or therapeutic, nasal or respiratory immunization. All our data showed an undeniable interest of peptide vaccines based on liposomes in the antitumor vaccination by the respiratory and nasal routes, opening new perspectives for cancer treatment.

Le travail de recherche de cette thèse consiste en le développement de nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques pour des applications en nanotechnologie, nanomédicine et diagnostic. Dans ce contexte, des cristaux poreux de zéolite-L ont été utilisé comme nano-vecteur pour faire de la transfection d’ADN et d’ANP, en combinaison avec le relargage de molécules hôtes placées dans les pores. Des nanoparticules de silice mesoporeuses multifonctionnelles ont été utilisées pour traiter le glioblastome, en combinant la thérapie génique avec l’administration durable d’un principe actif. Des nano-coquilles hybrides biodégradables ont été encore développés pour encapsuler des protéines et les relâcher dans les cellules vivantes. Dans le domaine de la détection d’acides nucléiques, des fibres optiques à cristal photonique, fonctionnalisées avec des sondes d’ANP, ont été exploitées comme plateformes optiques pour faire de la détection ultra-sensible d’oligonucléotides ou d’ADN génomique. Enfin, la squelette de l’ANP a été modifié à créer des sondes fluorescentes pour reconnaître et détecter la présence des séquences cibles spécifiques. / The research work presented throughout this thesis focuses on the development of novel organic-inorganichybrid materials for applications in nanotechnology, nanomedicine and diagnostics. In such a context, porous zeolite-L crystals have been used as nanocarriers to deliver either DNA or PNA in live cells, in combination with the release of guest molecules placed into the pores. Multifunctional mesoporous silica nanoparticles have been designed to treat glioblastoma, combining gene therapy with the sustained delivery of a chemotherapy agent. Biodegradable hybrid nano-shells have been furthermore created to encapsulate proteins and release them in living cells upon degradation of the outer structure in reductive environment. In the field of nucleic acid detection, photonic crystal fibers, functionalized with specific PNA probes, have been exploited as optical sensing devices to perform ultra-sensitive detection of DNA oligonucleotides or genomic DNA. Eventually, the PNA backbone has served as scaffold to synthesize fluorescent switching probes able to recognize and to detect the presence of specific target sequences.

Cette thèse décrit la synthèse de nanoparticules de polymères à empreintes moléculaires (MIP, de l’anglais molecularly imprinted polymer) pour la reconnaissance de protéines, par une approche de synthèse en phase solide. Les polymères à empreintes moléculaires sont des récepteurs biomimétiques synthétisés sur mesure par un processus de nanomoulage du polymère autour de la molécule unique. Ils possèdent ainsi des cavités de reconnaissance spécifiques pour leur molécule cible. La technique de l'impression moléculaire pour les petites molécules cibles est bien établie, alors que l'impression de protéines reste encore un défi en raison de la flexibilité et complexité de leur structure native et de leurs nombreux sites fonctionnels, mais aussi en raison de leur faible stabilité dans des conditions inhabituelles. Par conséquent, une approche de synthèse en phase solide a été développée ici où la protéine est immobilisée sur un support avant la synthèse de nanoparticules hydrosolubles de MIP par polymérisation radicalaire. Les MIPs obtenus ont des affinités comparables à celles des anticorps, et des réactivités croisées faibles. Ils possèdent des avantages tels qu'une stabilité meilleure, un coût plus faible et peuvent potentiellement être régénérés et réutilisés, devenant ainsi des alternatives prometteuses aux anticorps naturels. Nous avons fabriqué des MIPs contre des protéases à sérine, telles la trypsine et la kallikréine, mais aussi contre un épitope peptidique de la protéine gp41 du VIH. Des nanogels de MIP thermosensibles ont été synthétisés dans un réacteur sous la forme d’une colonne thermostatée ou une boîte de Pétri, par polymérisation radicalaire initiée par voie thermique ou photochimique. Un simple changement de la température permet de libérer les MIPs de la protéine immobilisée. Ces MIPs sont hydrosolubles en fonction de la température et ont un diamètre inférieur à 100 nm. Leur affinité pour leur cible est élevée, avec un Kd du nano ou picomolaire. Ces 'anticorps synthétiques' ont été appliqués dans des tests d'adsorption sur microbalance à cristal de quartz, mais également comme 'chaperons synthétiques'. Des études préliminaires de la protection des protéines d'une dénaturation thermique ou par un pH défavorable ont été effectuées. L'utilisation d'un iniferter pour initier la photopolymérisation vivante du MIP a permis de synthétiser des nanogels de type core-shell. En introduisant des marqueurs fluorescents dans les MIPs, les tests d’immunoessai dans des fluides biologiques ont été démontrés, ce qui indique le grand potentiel de ces MIPs dans le diagnostic clinique. En conclusion, nous avons développé une nouvelle approche de synthèse de nanoparticules de MIP hydrosoluble ayant une haute affinité pour une protéine, utilisables à la place des anticorps dans des applications dans le monde réel tel que la détection de protéines biomarqueurs dans des échantillons complexes, et potentiellement comme principe actif in vivo. / This thesis describes the synthesis, by a solid-phase synthesis approach, of nanoparticles of molecularly imprinted polymers (MIPs) for the recognition of proteins. Molecularly imprinted polymers are biomimetic receptors synthesized by a nanomolding process of the polymer around single molecules. They therefore possess specific recognition cavities for their target molecule. The technique of molecular imprinting for small target molecules is well established, while protein imprinting remains a challenge due to the flexibility and complexity of their native structure and functional sites, but also because of their low stability under unusual conditions. Therefore, a solid-phase synthesis approach has been developed where the protein is immobilized on a support before the synthesis of water-soluble MIP nanogel particles by radical polymerization. The MIPs obtained have affinities comparable to those of antibodies, and low cross-reactivities. They have advantages such as better stability, lower cost, and can potentially be regenerated and reused, thus becoming promising alternatives to real antibodies. We have synthesized MIPs against serine proteases such as trypsin, and kallikrein, but also against a peptide epitope of the HIV gp41 protein. Thermosensitive MIP nanogels were synthesized in a thermostated column-type reactor or a petri dish, by thermally or photo-initiated radical polymerization. Their thermosensitivity allows the MIPs to be released from the immobilized protein by a simple temperature change. They are water-soluble as a function of temperature and have a diameter of less than 100 nm. Their affinity for their target is strong, with a Kd in the nano or picomolar range. These 'synthetic antibodies' have been applied in binding assays with quartz crystal microbalance, but also as 'synthetic chaperones'. Preliminary studies of the protection of proteins from thermal denaturation or from denaturation by an unfavorable pH have been carried out. The use of an iniferter to initiate the living photopolymerization of MIP made it possible to synthesize nanogels of core-shell type. By introducing fluorescent markers into MIPs, immunoassay applications in biological fluids have been demonstrated, indicating the great potential of these MIPs in clinical diagnostics. In conclusion, we have developed a novel approach to the synthesis of soluble MIP nanoparticles having high affinity for a protein, usable in place of antibodies in real world applications such as the detection of biomarker proteins in complex samples, and potentially as an active principle in vivo.

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Depuis la découverte du Virus de l'Immunodéficience Humaine (VIH) au début des années 80, la recherche de nouvelles molécules anti-VIH demeure un challenge important pour la communauté scientifique. Les effets secondaires liés à l'usage d'inhibiteurs de la réplication virale, la découverte des récepteurs et la compréhension du mécanisme d'entrée du virus dans la cellule hôte ont encouragé la recherche sur de nouveaux inhibiteurs ciblant l'entrée virale. A ce jour, l'Enfuvirtide est le seul inhibiteur d'entrée approuvé en tant qu'inhibiteur de fusion. Bien que ce composé soit un antiviral puissant, il présente néanmoins de sérieuses limitations, son mode d'administration (injection sous cutanée deux fois par jour) et l'émergence de résistances, le classent en agent rétroviral de seconde classe. Une approche alternative est la génération de D-peptides inhibiteurs de fusion, résistants aux protéases et prometteurs pour le développement et l'identification d'une nouvelle classe de médicaments anti-VIH. Basée sur cette dernière approche, cette thèse est consacrée à la synthèse et à l'étude d'analogues peptidiques en tant qu'inhibiteurs de fusion du VIH. Tout d'abord, des études de modélisation associées à la synthèse d'analogues peptidiques ont permis de mettre en évidence et de comprendre les caractéristiques essentielles responsables de l'activité des D-peptides. Ensuite, des études de relations structure-activité, à partir de séquences modifiées, ont conduit à l'obtention de nouveaux analogues peptidiques inhibiteurs de fusion actifs. Enfin, dans le but de réduire la nature peptidique et par conséquent d'améliorer les propriétés pharmaceutiques, des macrocycles peptidiques ont été conçus, et une nouvelle stratégie de synthèse de peptides cycliques a été développée. / Since the discovery of the Human Immunodeficiency Virus (HIV) at the beginning of the 1980's, the search for new anti-HIV molecules remains an important challenge for the scientific community. Secondary effects associated with viral replication inhibitors, the discovery of receptors and the understanding of the mechanism of the viral entry makes HIV viral entry one of the most promising target for HIV drug development. To date, Enfurvitide is the only approved entry inhibitor as HIV fusion inhibitor. Although highly effective, Enfurvirtide has several serious limitations including high dosing requirements, the administration by injection, and the emergence of resistant strains. An alternative approach that has shown considerable potential is the generation of new D-peptides HIV fusion inhibitors expected to be resistant to proteolytic degradation and useful for the development and the identification of a new class of anti-HIV drugs with improv ed bioavailability.Based on this approach, the present work is dedicated to the synthesis and the study of peptide analogs as HIV fusion inhibitors. First, modeling studies and the synthesis of peptide analogs were devoted to point out and to understand the key elements responsible for the activity of the reference D-peptides. Then, structure activity relationship studies based on different modifications sequences led to the discovery of active peptide analogues as HIV fusion inhibitors. In another approach, in order to decrease peptide nature and consequently to improve the pharmaceutical properties, reduced cyclic peptides were designed. Finally, a novel strategy for cyclic peptide synthesis was developed.

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

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

La gammopathie monoclonale IgM est une polyneuropathie démyélinisante sensorielle et motrice. Il a été montré qu'elle est associée à des anticorps contre des glycoprotéines associées à la myéline (MAG/SGPG). L'épitope HNK-1 est un résidu 3-sulfo-glucuronyle lié à des structures lactosamine et il est présent aussi bien dans MAG que dans SGPG (SO4-3-GlcA(β1-3)Gal-(β1-4)GlcNAc(β1-3)Gal-(β1-4)Glcβ(1-1′)Cer). Il est exprimé principalement dans le système nerveux et joue un rôle important dans la réinnervation motrice préférentielle. Toutefois, l'épitope HNK-1 est difficile à isoler et à synthétiser et les essais diagnostiques cliniques ne sont pas toujours reproductibles et fiables.Le but de notre étude est d'identifier un outil synthétique simple de diagnostic (peptide ou monosaccharide), mimétique de l'épitope HNK-1, capable de reconnaître les anticorps dans les sera des neurogammapathies par Surface Plasmon Resonance (SPR) afin qu'il soit utilisé chez des patients à l'état précoce et qu'il puisse éventuellement permettre le suivi de l'évolution de la maladie. Pour cela, nous avons essayé de synthétiser ce trisaccharide, puis nous avons réalisé la synthèse de ses monosaccharides terminaux avec différents groupements fonctionnels (glucopyranoside d'octyle, acide 1-O-octylglucuronique, acide 1-O-octyl-3-O-sulfoglucuronique et acide 8-aminooctyl-3-O-sulfo-glucuronique).Puis 10 peptides linéaires et cycliques mimant conformationellement et/ou structuralement le HNK-1 ont également été synthétisés (LSETTI, LSETTl, cyclo(-TTILSE-), cyclo(-TTlLSE-), cyclo(-TKTlLSE-), cyclo(-TETKlLSE-), TYTKlLSE, TY(SO3)TKlLSE, cyclo(-TYTKlLSE-) et cyclo(-TY(SO3)TKlLSE-)). Les cinétiques d'affinité de ces mimes sucres et peptides ont été étudiées avec un anticorps anti HNK-1 commercial en utilisant le Biacore. De plus, les mimes avec les plus fortes affinités ont été choisis pour des études d'interaction antigène-anticorps dans des sera de patients atteints de gammapathie IgM. / IgM monoclonal gammopathy is a common age-related demyelinating sensory and motor polyneuropathy. It has been shown to be associated with antibodies against myelin-associated glycoproteins (MAG/SGPG). The HNK-1 carbohydrate epitope is a terminal 3-sulfo-glucuronyl residue attached to lactosamine structures and it is shared both in MAG and SGPG (SO4-3-GlcA(β1-3)Gal-(β1-4)GlcNAc(β1-3)Gal-(β1-4)Glcβ(1-1′)Cer). It is mostly expressed in the nervous system and plays an important role in preferential motor reinnervation. Nevertheless, the HNK-1 epitope is difficult to be isolated and synthesized and diagnostic assays used in the clinics are not always reproducible and reliable. Therefore in our study, our goal is to identify a simple synthetic diagnostic tool (peptide or monosaccharide), mimetic of the HNK-1 epitope, able to recognize antibodies in neurogammopathies sera by Surface Plasmon Resonance to be used in earlier stage patients and possibly to monitor disease activity. For this reason, we firstly tried to synthesize this trisaccharide and then we achieved the synthesis of its terminal monosaccharides with different function groups (octyl glucopyranoside, octyl glucuronic acid, octyl 3-O-sulfo-glucuronic acid and 8-amino octyl 3-O-sulfo-glucuronic acid). Then 10 linear and cyclic peptides conformationally and/or structurally mimicking HNK-1 were also synthesized (LSETTI, LSETTl, cyclo(-TTILSE-), cyclo(-TTlLSE-), cyclo(-TKTlLSE-), cyclo(-TETKlLSE-), TYTKlLSE, TY(SO3)TKlLSE, cyclo(-TYTKlLSE-) and cyclo(-TY(SO3)TKlLSE-)). The SPR kinetic binding affinities of all these sugar and peptide mimics were studied with commercial anti HNK-1 antibody using Biacore. Moreover, mimics with highest binding affinities were chosen for antigen-antibody interaction study in IgM gammopathy patients' serum.