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Le traitement photodynamique antimicrobien (acronyme anglais APDT) est apparu comme une solution alternative pour lutter contre les microorganismes multi-résistants. Cette méthode basée sur l'utilisation de photosensibilisateurs dont les porphyrines, fonctionne aussi contre les agents pathogènes des plantes ce qui nous a conduit à proposer une approche de type APDT dans le domaine de l’agriculture. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au côté « vert » de la mise en place de cette approche en réalisant une étude approfondie sur des plantules de deux espèces végétales: Arabidopsis thaliana et Lycopersicum esculentum (tomate) et sur une suspension cellulaire de tabac (TBY-2). Des porphyrines anioniques et cationiques hydrosolubles ont été testées. Nous avons montré qu’aucune de ces porphyrines testées à forte concentration (⩾ 80 μM) n’était cytotoxique à l’obscurité sur les plantules ou la suspension. Par contre sous photopériode (16h), les porphyrines cationiques testées à faible concentration (3,5 μM) se sont révélées létales pour les plantules d’Arabidopsis alors qu’elles n’ont fait que ralentir la croissance des plantules de tomate. Etonnamment, les porphyrines anioniques même testées à forte concentration n’ont pas (ou très peu) induit d’altérations de croissance des plantules. Cette situation se trouve inversée dans les cellules TBY-2 qui sont beaucoup plus sensibles aux porphyrines anioniques photoactivées qui induisent leur mort par apoptose. Ce modèle cellulaire nous a permis de comprendre i) les mécanismes d'interaction porphyrines anioniques avec la paroi cellulaire et ii) quels mécanismes étaient mis en place dans les cellules en réponse au stress photodynamique. En conclusion, ces études préliminaires sur le végétal laissent sérieusement entrevoir la possibilité de développer l’APDT en agriculture ciblée aux pathogènes de plantes et sans effet notable sur les plantes d’intérêt agronomique et les microorganismes du sol. / Antimicrobial photodynamic treatment (APDT) has emerged as an alternative modality to strive against multidrug-resistant microorganisms. This method, based on the use of photosensitizers including porphyrins, has also shown substantial efficiency to kill plant pathogens. This led us to propose an APDT approach in the field of agriculture. During this thesis work, we were interested in the "green" side of this approach. Thus, we performed an in-depth study on two plant species: Arabidopsis thaliana and Lycopersicum esculentum (tomato) and on Tobacco Bright Yellow-2 suspension culture (TBY-2 cells) using anionic and cationic water-soluble porphyrins. We have shown that none of these porphyrins tested at high concentration (⩾ 80 μM) was cytotoxic on plantlets or suspension cells under dark conditions. On the other hand, the cationic porphyrins tested at low concentration (3.5 μM) were lethal for Arabidopsis while they only slowed the growth of tomato plantlets under 16 h photoperiod. Surprisingly, the same anionic porphyrins tested at high concentrations did not induce growth alterations of both plantlets. This situation is reversed in TBY-2 cells, which are much more sensitive to photoactivated anionic porphyrins that induce apoptosis-like cell death. TBY-2 cells allowed to understand i) the interactions of anionic porphyrins with the cell wall and ii) the induced cellular and molecular mechanisms in response to photodynamic stress. In conclusion, these preliminary studies on the plants and plant cells suggest the possibility of developing APDT in agriculture. It will be targeted to plant pathogens without any side effects on plants of agronomic interest and soil microorganisms.

O gênero Neoscytalidium está crescentemente sendo associado às infecções superficiais e profundas causadas em pacientes imunocomprometidos e imunocompetentes. O fungo filamentoso Neoscytalidium dimidiatum é um microrganismo saprofítico e fitopatogênico, encontrado no solo e vegetação de regiões de clima tropical e subtropical. N. dimidiatum var. hyalinum e N. dimidiatum estão envolvidos em infecções superficiais de pele e unha sendo que a espécie produtora de melanina, N. dimidiatum, está associado preferencialmente a infecções profundas sugerindo que a espécie variante não produtora de melanina, N. dimidiatum var. hyalinum, pode ser menos virulenta que a pigmentada. Pouco é descrito na literatura sobre as variedades em questão tanto em relação à sensibilidade a drogas antifúngicas e ao tratamento fotodinâmico antimicrobiano (TFDA), bem como a características fisiológicas referentes à tolerância a variações de temperatura e pH. Assim, o presente trabalho teve como objetivo o estudo de isolados clínicos de N. dimidiatum e N. dimidiatum var. hyalinum obtidos de infecções de pele e unha. Neste estudo foram realizadas a identificação molecular, a filogenia multilocus, a verificação in vitro do desenvolvimento em diferentes temperaturas e pHs e a caracterização in vitro do perfil de susceptibilidade a antifúngicos e TFDA com fotossensibilizadores (FSs) fenotiazínicos, bem como os efeitos do TFDA nas biomoléculas dos artroconídios das variedades estudadas. A filogenia multilocus foi realizada pelo sequenciamento de sete diferentes loci onde foi evidenciado polimorfismo na região Internal Transcribed Spacer (ITS) 1 e nos genes ?-Tubulina (TUB), Fator de Alongamento de cadeia 1? (EF1) e Histona H3 (HH3). O agrupamento dos isolados clínicos deste estudo em genótipos distintos permitiu a separação em 6 tipos de sequência (TSs), sendo que o TS5 foi composto apenas pela espécie variante N. dimidiatum var. hyalinum. A análise de desenvolvimento em diferentes temperaturas e pHs demonstrou um tamanho de colônia reduzido para todos os isolados de N. dimidiatum var. hyalinum. Anfotericina B, voriconazol e terbinafina foram os antifúngicos mais eficientes para ambas variedades. Os valores das concentrações inibitórias mínimas (CIMs) encontrados para os derivados azólicos foram baixos para todos os isolados clínicos de N. dimidiatum var. hyalinum. Os isolados clínicos de N. dimidiatum mostraram ser menos sensível ao TFDA com os FSs azul de metileno (MB), novo azul de metileno N (NMBN), azul de toluidina O (TBO) e novo derivado sintético (S137) quando comparado à variedade hialina. NMBN e S137 mostraram maior eficiência para inativação de Neoscytalidium spp. Adicionalmente, no TFDA todos os FSs apresentaram efeito de permeabilidade de membrana plasmática, embora somente NMBN e S137 apresentaram a produção de Malondialdeido (MDA), isto é, causaram a peroxidação lipídica nos artroconídios de N. dimidiatum e da variedade hialina / Neoscytalidium sp. is increasingly being associated with superficial and deep infections in immunocompromised and immunocompetent patients. The filamentous fungus Neoscytalidium dimidiatum is a saprophytic and plant pathogenic microorganism that is found in soil and vegetation of tropical and subtropical regions. N. dimidiatum var. hyalinum and N. dimidiatum are involved in superficial skin and nail infections. The melanin producer N. dimidiatum is preferably associated with deep infections suggesting that the clinical isolate without melanin, N. dimidiatum var. hyalinum, may be less virulent than the pigmented variety. Little is described in the literature regarding the varieties N. dimidiatum and N. dimidiatum var. hyalinum about the sensitivity to antifungal drugs and photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT), and the physiological characteristics related to the growth at different temperature and pH. Therefore, the present study aimed to investigate clinical isolates of N. dimidiatum and N. dimidiatum var. hyalinum obtained from skin and nail infections. Here in this study were performed the molecular identification, multilocus phylogeny, the in vitro characterization of development at different temperatures and pHs, and the characterization of in vitro susceptibility to antifungal agents and PACT with phenotiazinium photosensitizers (PSs), as well the PACT effects on the biomolecules of the Neoscytalidium spp. arthroconidia. The multilocus phylogeny was performed by sequencing seven different loci where polymorphism were identified in the Internal Transcribed Spacer (ITS) 1 region of rDNA and in the genes ?-tubulin (TUB), elongation factor 1? (EF1) and Histone H3 (HH3). The grouping of the clinical isolates from this study in different genotypes allowed the clustering in 6 sequence types (ST), in which the ST5 was composed exclusively by all N dimidiatum var. hyalinum isolates from this study. The analysis of development at different temperatures and pHs showed a reduced colony size for all N. dimidiatum var. hyalinum isolates. Amphotericin B, voriconazole and terbinafine were the most effective antifungal for both varieties. The minimal inhibitory concentrations (MICs) values found for the azoles derivatives were low for all N. dimidiatum var. hyalinum isolates. N. dimidiatum clinical isolates have shown to be less sensitive to PACT with the PS methylene blue (MB), new methylene blue (NMBN), toluidine blue O (TBO) and new synthetic derivative (S137) when compared to hyaline variety. NMBN and S137 have shown more effectiveness for the inactivation of Neoscytalidium spp. Additionally, all PS in PACT have caused plasma membrane permeability, although only NMBN and S137 showed the production of malondialdehyde (MDA), i.e., caused lipid peroxidation in both N. dimidiatum and hyaline variety

A TFD é considerada uma nova terapia minimamente invasiva destinada ao tratamento e destruição seletiva de diversos tipos de cânceres. Objetivo foi avaliar se os efeitos do azul de metileno fotoativado podem desencadear processos inflamatórios interferindo no desenvolvimento e na progressão tumoral. Os resultados demonstraram que o grupo tratado com 0.1% de azul de metileno+1J provocou um aumento estatísticamente significativo quando comparado em relação aos diferentes grupos tratados nos níveis e na expressão gênica dos diferentes marcadores inflamatórios, na geração EROS e MPO. Análise histológica complementou com os resultados anteriores, indicando que neste grupo há alterações morfológicas representadas por áreas de necrose na massa tumoral sólida com presença neutrofílica. Concluímos que há indícios que o tratamento 0.1% azul de metileno+ 1J foi capaz de gerar efeitos citotóxicos que por consequência aumentou a expressão dos mediadores inflamatórios promovendo inflamação e finalmente induzindo morte celular. / PDT is considered a new minimally invasive therapy for the treatment and selective destruction of various types of cancers. The objective was to evaluate the effects of methylene blue light activated may trigger inflammatory processes interfering with the development and tumor progression. The results showed that the group treated with 0.1 % methylene blue +1 J caused a statistically significant increase levels and gene expression of different inflammatory markers in ROS generation and MPO when compared at the different treat groups. Histological analysis complemented with previous results, indicating that there are morphological changes represented by areas of necrosis in the solid tumor mass with neutrophil presence in this group. We conclude that there is evidence that treatment 0.1 % methylene blue + 1J was able to generate cytotoxic effects therefore increased expression of inflammatory mediators, promoting inflammation and finally inducing cell death.

A oxidação de membranas lipídicas pode ser benéfica (p.ex. sinalização celular) ou prejudicial, sendo a permeabilização de membranas uma de suas consequências citotóxicas. A permeabilização fotoinduzida de membranas é parte essencial do mecanismo da terapia fotodinâmica (PDT), uma modalidade clínica em que fotossensibilizadores, luz e oxigênio são combinados para oxidar biomoléculas e consequentemente danificar células indesejadas. Neste trabalho, buscamos entender molecularmente quais fatores levam à permeabilização fotoinduzida de membranas. Enfatizamos os papéis do oxigênio, do status da membrana e de reações específicas do fotossensibilizador em contato com a membrana. Simulações de dinâmica molecular foram usadas para obter a distribuição de oxigênio em membranas em função da temperatura nas fases fluida ou gel. Procedimentos específicos de análise de cinéticas de luminescência de oxigênio singlete foram desenvolvidos para calcular tempos de vida de estado excitado triplete compatíveis com as variações da distribuição de oxigênio em membranas. Caracterizamos um derivado fluorogênico do α-tocoferol como uma sonda para oxigênio singlete em experimentos com lipossomos, possibilitando comparar qualitativamente os níveis de oxigênio singlete atingindo a membrana quando produzido por fotossensibilizadores hidrossolúveis ou lipossolúveis. Experimentos em vesículas unilamelares gigantes (GUVs) nos permitiram comparar a ativação da sonda com o aumento de área superficial da membrana, e estimar a constante de velocidade da reação do oxigênio singlete com lipídeos insaturados como 6 x 104 M-1 s-1. Estreitando nosso foco para a permeabilização fotoinduzida de membranas, inicialmente caracterizamos quatro fotossensibilizadores fenotiazínicos em relação a suas interações com membranas e suas capacidades de promover o vazamento de uma sonda fluorescente. Fotossensibilizadores que se particionaram mais em membranas (e não os geradores de oxigênio singlete mais eficientes) danificaram a membrana de lipossomos mais eficientemente. A ligação à membrana também afetou as vias de decaimento dos estados excitados triplete. Com esse estudo, selecionamos o fotossensibilizador hidrofílico azul de metileno (MB) e o fotossensibilizador mais hidrofóbico DO15 para as investigações subsequentes. Os efeitos de ambos os fotossensibilizadores em GUVs foram caracterizados e observamos que as cinéticas de permeabilização indicaram diferentes taxas de produção de lipídeos formadores de poros para MB e DO15, o que deve depender de interações específicas com a membrana. Para melhor compreender o papel de interações fotossensibilizador/membrana, caracterizamos a oxidação de lipídeos por ambos os fotossensibilizadores, em uma condição em que DO15 permeabilizava membranas 70 vezes mais eficientemente que MB. Observamos principalmente a formação de hidroperóxidos lipídicos para MB, enquanto que para DO15, além desses mesmos produtos, observamos a formação de álcoois, cetonas e aldeídos fosfolipídicos de cadeia truncada, esses últimos tendo sido relacionados a condições em que se observou a permeabilização de membranas. Embora já fosse sabido que aldeídos fosfolipídicos aumentam a permeabilidade da membrana, esse fenômeno nunca havia sido demonstrado para a formação de aldeídos in situ. A fotooxidação lipídica foi acompanhada por aumento do fotobranqueamento de DO15 e pela formação de radicais lipídicos oxigenados, indicando a ocorrência de reações diretas entre lipídeos e fotossensibilizadores. O mapeamento dos fatores que levam à permeabilização fotoinduzida em membranas, focando em reações e interações moleculares, é o maior produto desse trabalho / Oxidation of lipid membranes can be beneficial (e.g., cell signaling) or detrimental, with membrane permeabilization representing one of its cytotoxic outcomes. Photoinduced membrane permeabilization is key to the mechanism of photodynamic therapy (PDT), a clinical modality in which photosensitizers, light and oxygen are combined to oxidize biomolecules and consequently damage diseased cells. In this work, we aimed to understand at the molecular level which factors lead to photoinduced membrane permeabilization. We emphasized the roles of oxygen, membrane status and specific reactions of the photosensitizer in contact with the membrane. Molecular dynamics simulations were used to assess oxygen distribution in membranes as a function of temperature within membranes in gel or liquid phases. Special fitting procedures of singlet oxygen luminescence kinetics were devised to allow the calculation of triplet excited state lifetimes compatible with variable oxygen distributions in membranes. We characterized a fluorogenic α-tocopherol probe as a singlet oxygen trapping molecule in experiments with liposomes, and were able to qualitatively compare the amount of singlet oxygen molecules reaching the membrane after being generated by water soluble or membrane bound photosensitizers. Experiments performed in giant unilamellar vesicles (GUVs) allowed us to compare the activation of the probe with the observed membrane surface area increase and estimate the reaction rate of singlet oxygen with unsaturated lipids to be 6 x 104 M-1 s-1. We then narrowed our focus to photoinduced membrane permeabilization, initially characterizing four phenothiazinium photosensitizers with respect to their interactions with membranes and their capability to promote leakage of a fluorescent probe. Photosensitizers that bound to membranes to a larger extent (and not the most efficient singlet oxygen generators) were the most efficient ones to damage liposomal membranes. Membrane binding also affected triplet excited state deactivation pathways. From this study, we selected the hydrophilic photosensitizer methylene blue (MB) and the more hydrophobic photosensitizer DO15 for subsequent investigations. We characterized the effects of both photosensitizers in GUVs and observed that the kinetics of membrane permeabilization implied different rates of generation of pore-forming lipids for MB and DO15, which should depend on specific interactions with membranes. To further understand the role of photosensitizer/membrane interactions, we characterized the oxidized lipids formed by both photosensitizers in a condition in which the membrane permeabilization efficiency of DO15 was 70 times higher than that of MB. We observed mainly formation of lipid hydroperoxides by MB, while DO15 not only led to these same products, but also to alcohols, ketones and phospholipid truncated aldehydes, the latter being related to conditions in which membrane permeabilization was observed. Although aldehydes were already known to increase membrane permeability, this phenomenon had never before been demonstrated for aldehyde formation in situ. Lipid photooxidation was accompanied by increased photobleaching of DO15 and by formation of lipid oxygenated radicals, indicating the occurrence of direct reactions between lipids and photosensitizers. A roadmap of the factors leading to photoinduced membrane permeabilization focusing on molecular interactions and reactions is the major achievement of this work.

As propriedades fotofísicas e fotoquímicas de cristal violeta (CV) foram investigadas em soluções isotrópicas e verificou-se que solventes com constante dielétrica pequena favorecem a formação do par iônico, já o aumento na viscosidade do meio restringe a movimentação rotacional dos anéis aromáticos, resultando em um aumento no tempo de vida de fluorescência e, portanto no rendimento quântico de fluorescência (Φf) (Oliveira 2002). Os experimentos com CV foram conduzidos em micelas reversas do tensoativo aniônico bis-2-etilhexil sulfoccinato de sódio (AOT) em isooctano. A localização interfacial do CV nas micelas reversas de AOT em valores da razão molar entre água e surfactante (W0)pequenos e grandes foram encontrados através da técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de próton e de carbono 13. Utilizando-se espectroscopia UV-Vis identificou-se que pares iônicos de contato estão presentes a valores pequenos de W0 e com o aumento do W0 pares iônicos separados por solventes são as espécies que predominam em solução. A comparação da eficiência de fotodegradação de CV em micelas reversas de AOT em função do W0 indicou que a fotoreatividade é maior em baixos valores de W0 . Este efeito deve estar relacionado à restrição da movimentação dos anéis aromáticos de CV devido ao ambiente restrito no qual este se localiza na micela reversa de OAT a W0 pequenos. A formação de intermediários reativos foi verificada através de Fotólise de Relâmpago a Laser e Emissão no infra-vermelho próximo, indicando a presença de espécies triplete, radical e oxigênio singlete com valor de rendimento quântico menor que 1%. Os produtos de fotólise foram identificados por técnicas cromatográficas e espectroscópicas. Na presença de oxigênio, houve maior formação de cetona de Michler. Com baixa concentração de oxigênio, o produto observável foi leuco-CV. Destes estudos propomos o mecanismo de CV neste meio. Após os estudos com micelas reversas, células cancerosas HeLa foram empregadas para comparar fotoatividade do CV com o azul de metileno (MB). As proporções de CV e MB dentro das células são altas, incorporando 70% e 80% da concentração da solução de incubação, respectivamente. Com o aumento da concentração de MB, um favorecimento da formação de dímero foi identificada. Já CV não sofre agregação nas condições estudadas. Nenhum dos fotossensibilizadores estudados tem um efeito danoso sobre as células HeLa em concentrações abaixo de 10µM. Após irradiação, MB causou uma diminuição de cerca de duas vezes maior na taxa de sobrevivência celular comparado com CV. A formação de formação de oxigênio singlete após incorporação dos fotossensibilizadores foi investigada. Há formação de oxigênio singlete em células incubadas com MB, já com CV a geração de oxigênio singlete é pouco significativa sugerindo um mecanismo radicalar. O processo de morte celular foi estudado por citometria de fluxo e verificou-se que MB induz apoptose depois da irradiação em células HeLa. A absorção de luz por ambos fotossensibilizadores é similar, o que indica que a diminuição na sobrevivência não se deve à diferença de absorção luminosa. As diferenças de sobrevivência observadas com células incubadas com CV e MB e irradiadas foram relacionadas às diferenças das propriedades fotoquímicas destes fotossensibilizadores. A localização celular de CV e MB em células foram caracterizadas por microscopia de fluorescência. Verificou-se que ambos localizam-se em mitocôndrias. O aumento na concentração de CV não alterou o seu perfil de localização. Já para MB ao aumentar a concentração de MB, observa-se que o mesmo localiza-se além das mitocôndrias, em lisossomos. A comparação das propriedades fotoquímicas e de localização foram consideradas para explicar as diferenças de atividade fotodinâmica do CV e do MB em células HeLa / The photophysical and photochemical properties of crystal violet (CV) were investigated in isotropic solutions and it was found that solvents with small dielectric constants favor the formation of the ion pair and that the increase in viscosity of the medium restricts the rotational movement of the aromatic rings, resulting in an increase in fluorescent lifetime and therefore in the fluorescence quantum yield (Φf) (Oliveira 2002). CV experiments were conducted in reverse micelles of the anionic tensoactive sodium bis-2-ethylhexyl-sulfosuccinate (AOT) in isooctane. The interfacial localization of CV in the AOT reverse micelles at low and high values of molar ratio between water and surfactant (W0 was found through the proton and carbon 13 Nuclear Magnetic Resonance techniques (NMR). Using UV-Vis spectroscopy, it was identified that contact ion pairs are present in low W0 values and with the increase in the W0 solvent separated ion pairs are the species that predominate in solution. The comparison of the photobleaching efficiency of CV in AOT reverse micelles as a function of W0indicated that the photoreactivity is high with low W0 values. This effect must be related to the restrict environment in which CV is located. The reactive intermediate formation was found through the Laser Flash Photolysis and Near Infra-Red Emission, indicating the presence of triplet, radical and singlet oxygen species with a yield quantum of less than 1%. The photolysis products were identified through the chromatographic and spectroscopic techniques. In the oxygen presence, there was high Michler ketone formation. With the low oxygen concentration, the observable product was leuco-CV. With these studies we hypothesized a mechanism of CV in these proposed media. After the reverse micelles studies, the HeLa cancerous cells were used, in order to compare the CV and methylene blue (MB) photoactivity. The CV and MB proportion inside the cell was high, reaching 70% and 80% of concentration of the incubation solution, respectively. With the increase of MB concentration, a favoring of dimmer formation was identified. CV does not suffer aggregation in the studied conditions. None of the studied photosensitizers has a damaging effect upon the HeLa cells in concentrations below 10µM. After irradiation, MB caused a decrease about twice higher in the cellular survival rate compared to CV. The singlet oxygen formation after the photosensitizer incorporation was investigated. There is a singlet oxygen formation in the cells incubated with MB, though with the CV the singlet oxygen generation is significantly low suggesting the radicalar mechanism. The cellular death process was studied by Fluorescence Activated Cell Sorting and MB-induced apoptosis was found after MB irradiation in HeLa cells. The light absorption by both photosensitizers is similar, which means that the survival decrease is not because of the light absorption difference. The survival differences observed with the cells incubated with CV and MB and irradiated were related to the differences in the photosensitizer photochemical properties. The cellular location of the CV and MB in cells were characterized by fluorescence microscopy. Both photosensitizers are located in mitochondrias. An increase in the CV concentration does not alter its local profile. However, with an increase in the MB concentration, MB was located not only in mitochondrias but also in lysosomes. The comparison of the photochemical and localization properties was considered in order to explain the differences in the photodynamic activity of CV and MB in HeLa cells

A TFD é considerada uma nova terapia minimamente invasiva destinada ao tratamento e destruição seletiva de diversos tipos de cânceres. Objetivo foi avaliar se os efeitos do azul de metileno fotoativado podem desencadear processos inflamatórios interferindo no desenvolvimento e na progressão tumoral. Os resultados demonstraram que o grupo tratado com 0.1% de azul de metileno+1J provocou um aumento estatísticamente significativo quando comparado em relação aos diferentes grupos tratados nos níveis e na expressão gênica dos diferentes marcadores inflamatórios, na geração EROS e MPO. Análise histológica complementou com os resultados anteriores, indicando que neste grupo há alterações morfológicas representadas por áreas de necrose na massa tumoral sólida com presença neutrofílica. Concluímos que há indícios que o tratamento 0.1% azul de metileno+ 1J foi capaz de gerar efeitos citotóxicos que por consequência aumentou a expressão dos mediadores inflamatórios promovendo inflamação e finalmente induzindo morte celular. / PDT is considered a new minimally invasive therapy for the treatment and selective destruction of various types of cancers. The objective was to evaluate the effects of methylene blue light activated may trigger inflammatory processes interfering with the development and tumor progression. The results showed that the group treated with 0.1 % methylene blue +1 J caused a statistically significant increase levels and gene expression of different inflammatory markers in ROS generation and MPO when compared at the different treat groups. Histological analysis complemented with previous results, indicating that there are morphological changes represented by areas of necrosis in the solid tumor mass with neutrophil presence in this group. We conclude that there is evidence that treatment 0.1 % methylene blue + 1J was able to generate cytotoxic effects therefore increased expression of inflammatory mediators, promoting inflammation and finally inducing cell death.

As propriedades fotofísicas e fotoquímicas de cristal violeta (CV) foram investigadas em soluções isotrópicas e verificou-se que solventes com constante dielétrica pequena favorecem a formação do par iônico, já o aumento na viscosidade do meio restringe a movimentação rotacional dos anéis aromáticos, resultando em um aumento no tempo de vida de fluorescência e, portanto no rendimento quântico de fluorescência (Φf) (Oliveira 2002). Os experimentos com CV foram conduzidos em micelas reversas do tensoativo aniônico bis-2-etilhexil sulfoccinato de sódio (AOT) em isooctano. A localização interfacial do CV nas micelas reversas de AOT em valores da razão molar entre água e surfactante (W0)pequenos e grandes foram encontrados através da técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de próton e de carbono 13. Utilizando-se espectroscopia UV-Vis identificou-se que pares iônicos de contato estão presentes a valores pequenos de W0 e com o aumento do W0 pares iônicos separados por solventes são as espécies que predominam em solução. A comparação da eficiência de fotodegradação de CV em micelas reversas de AOT em função do W0 indicou que a fotoreatividade é maior em baixos valores de W0 . Este efeito deve estar relacionado à restrição da movimentação dos anéis aromáticos de CV devido ao ambiente restrito no qual este se localiza na micela reversa de OAT a W0 pequenos. A formação de intermediários reativos foi verificada através de Fotólise de Relâmpago a Laser e Emissão no infra-vermelho próximo, indicando a presença de espécies triplete, radical e oxigênio singlete com valor de rendimento quântico menor que 1%. Os produtos de fotólise foram identificados por técnicas cromatográficas e espectroscópicas. Na presença de oxigênio, houve maior formação de cetona de Michler. Com baixa concentração de oxigênio, o produto observável foi leuco-CV. Destes estudos propomos o mecanismo de CV neste meio. Após os estudos com micelas reversas, células cancerosas HeLa foram empregadas para comparar fotoatividade do CV com o azul de metileno (MB). As proporções de CV e MB dentro das células são altas, incorporando 70% e 80% da concentração da solução de incubação, respectivamente. Com o aumento da concentração de MB, um favorecimento da formação de dímero foi identificada. Já CV não sofre agregação nas condições estudadas. Nenhum dos fotossensibilizadores estudados tem um efeito danoso sobre as células HeLa em concentrações abaixo de 10µM. Após irradiação, MB causou uma diminuição de cerca de duas vezes maior na taxa de sobrevivência celular comparado com CV. A formação de formação de oxigênio singlete após incorporação dos fotossensibilizadores foi investigada. Há formação de oxigênio singlete em células incubadas com MB, já com CV a geração de oxigênio singlete é pouco significativa sugerindo um mecanismo radicalar. O processo de morte celular foi estudado por citometria de fluxo e verificou-se que MB induz apoptose depois da irradiação em células HeLa. A absorção de luz por ambos fotossensibilizadores é similar, o que indica que a diminuição na sobrevivência não se deve à diferença de absorção luminosa. As diferenças de sobrevivência observadas com células incubadas com CV e MB e irradiadas foram relacionadas às diferenças das propriedades fotoquímicas destes fotossensibilizadores. A localização celular de CV e MB em células foram caracterizadas por microscopia de fluorescência. Verificou-se que ambos localizam-se em mitocôndrias. O aumento na concentração de CV não alterou o seu perfil de localização. Já para MB ao aumentar a concentração de MB, observa-se que o mesmo localiza-se além das mitocôndrias, em lisossomos. A comparação das propriedades fotoquímicas e de localização foram consideradas para explicar as diferenças de atividade fotodinâmica do CV e do MB em células HeLa / The photophysical and photochemical properties of crystal violet (CV) were investigated in isotropic solutions and it was found that solvents with small dielectric constants favor the formation of the ion pair and that the increase in viscosity of the medium restricts the rotational movement of the aromatic rings, resulting in an increase in fluorescent lifetime and therefore in the fluorescence quantum yield (Φf) (Oliveira 2002). CV experiments were conducted in reverse micelles of the anionic tensoactive sodium bis-2-ethylhexyl-sulfosuccinate (AOT) in isooctane. The interfacial localization of CV in the AOT reverse micelles at low and high values of molar ratio between water and surfactant (W0 was found through the proton and carbon 13 Nuclear Magnetic Resonance techniques (NMR). Using UV-Vis spectroscopy, it was identified that contact ion pairs are present in low W0 values and with the increase in the W0 solvent separated ion pairs are the species that predominate in solution. The comparison of the photobleaching efficiency of CV in AOT reverse micelles as a function of W0indicated that the photoreactivity is high with low W0 values. This effect must be related to the restrict environment in which CV is located. The reactive intermediate formation was found through the Laser Flash Photolysis and Near Infra-Red Emission, indicating the presence of triplet, radical and singlet oxygen species with a yield quantum of less than 1%. The photolysis products were identified through the chromatographic and spectroscopic techniques. In the oxygen presence, there was high Michler ketone formation. With the low oxygen concentration, the observable product was leuco-CV. With these studies we hypothesized a mechanism of CV in these proposed media. After the reverse micelles studies, the HeLa cancerous cells were used, in order to compare the CV and methylene blue (MB) photoactivity. The CV and MB proportion inside the cell was high, reaching 70% and 80% of concentration of the incubation solution, respectively. With the increase of MB concentration, a favoring of dimmer formation was identified. CV does not suffer aggregation in the studied conditions. None of the studied photosensitizers has a damaging effect upon the HeLa cells in concentrations below 10µM. After irradiation, MB caused a decrease about twice higher in the cellular survival rate compared to CV. The singlet oxygen formation after the photosensitizer incorporation was investigated. There is a singlet oxygen formation in the cells incubated with MB, though with the CV the singlet oxygen generation is significantly low suggesting the radicalar mechanism. The cellular death process was studied by Fluorescence Activated Cell Sorting and MB-induced apoptosis was found after MB irradiation in HeLa cells. The light absorption by both photosensitizers is similar, which means that the survival decrease is not because of the light absorption difference. The survival differences observed with the cells incubated with CV and MB and irradiated were related to the differences in the photosensitizer photochemical properties. The cellular location of the CV and MB in cells were characterized by fluorescence microscopy. Both photosensitizers are located in mitochondrias. An increase in the CV concentration does not alter its local profile. However, with an increase in the MB concentration, MB was located not only in mitochondrias but also in lysosomes. The comparison of the photochemical and localization properties was considered in order to explain the differences in the photodynamic activity of CV and MB in HeLa cells

Dans ce travail, nous avons développé des nanostructures théranostics à base de polypeptides fonctionnalisées avec un photosensibilisateur (PTS) dans le but d’être utilisées en thérapie photodynamique (PDT). La génération d'oxygène singulet et les propriétés de fluorescence du PTS peuvent ainsi à la fois diagnostiquer et traiter une tumeur. Un dérivé asymétrique et multifonctionnel de l'aza-dipyrrométhènes difluorure de bore chélate (aza-BODIPY) fluorogène a été synthétisé pour être utilisé comme photosensibilisateur en raison de ses propriétés non toxiques, son insensibilité à l'environnement biologique externe, sa production d'oxygène singulet élevée et son important rendement quantique de fluorescence. Pour permettre au photosensibilisant d’atteindre la tumeur, quatre copolymères à blocs amphiphiles différents en termes de localisation du PTS et de la longueur de la chaîne PEG ont été synthétisés. Les blocs amphiphiles sont constitués de segments poly(ɤ-benzyl-L-glutamate) (PBLG, DP ~ 50) et poly(éthylène glycol) (PEG, DP = 45 et 113). Ces copolymères sont en outre capables de s’auto-assembler en micelles et en vésicules. Nous avons développé une stratégie de synthèse permettant la liaison covalente du PTS pour les copolymères à blocs amphiphiles, empêchant ainsi une fuite du PTS avant que le nanoparticules atteignent le site de la tumeur. En outre, nous avons étudié l'activité du PTS en fonction de la concentration, de la morphologie des nanoparticules et de la localisation du PTS dans les nanoparticules. Enfin, l'efficacité des nanoparticules a été évaluée in vitro sur des cellules HeLa et B16F1. / In this work, we developed photosensitizer (PTS) functionalized polypeptide-based theranostic nano-assemblies to be used in photodynamic therapy (PDT). The singlet oxygen generation and fluorescence properties of the PTS provide simultaneous diagnosis and therapy of the tumor.An asymmetric and multifunctional derivative of the aza-dipyrromethene boron difluoride chelate (aza-BODIPY) fluorophore was synthesized to be used as a photosensitizer due to its nontoxic properties, insensitivity to external biological environment, high singlet oxygen generation and fluorescent quantum yield. To carry the photosensitizer to the tumor, four different (in terms of PTS localization and PEG chain length) amphiphilic block copolymers consisting of poly(ɤ-benzyl-L-glutamate) (PBLG, DP~50) and poly(ethylene glycol) (PEG, DP=45 and 113) chains, able to self-assembled into micelles and vesicles, were synthesized. We developed a synthetic strategy allowing covalent linkage of PTS to the amphiphilic block copolymers, thus preventing PTS leakage before the nano-assembly reaches the tumor site. Moreover, we investigated PTS activity as a function of concentration, morphology of the nano-assemblies and PTS localization in the nano-assemblies. Finally, the efficacy of the nano-assemblies has been evaluated in vitro on HeLa and B16F1 cells.

La Thérapie Photodynamique ou PDT est une méthode de traitement principalement anti-cancéreux. Elle est basée sur l’activation par la lumière de molécules photosensibles, appelés photosensibilisateurs, non toxiques à l’obscurité. Après excitation lumineuse et en présence d’oxygène, elles génèrent des espèces réactives de l’oxygène dont l’oxygène singulet, qui engendrent des réactions de photo-oxydation entraînant la mort cellulaire. Cette méthode est cliniquement appliquée en France et dans plusieurs pays du monde mais présente toutefois certaines limites comme la faible profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus. Elle ne peut donc s’appliquer qu’aux tumeurs de surface telles que les kératoses actiniques et aux tumeurs de petite taille accessibles à la lumière. Pour traiter les tumeurs profondes par PDT, nous proposons une stratégie innovante basée sur l’utilisation de rayons X, très connus pour leur pouvoir pénétrant. Comme la plupart des photosensibilisateurs ne sont pas radiosensibles, ils ne peuvent être excités directement par les rayons X. Les récentes avancées en nanotechnologie nous ont amené à envisager une stratégie thérapeutique novatrice pouvant combiner les principes de la PDT et la radiothérapie via l’élaboration de scintillateurs nanoparticulaires excitables par rayons X. Le concept consiste à utiliser des nanoparticules contenant dans leur cœur un scintillateur qui, excité par des rayons X, peut émettre des photons, qui, à leur tour, sont réabsorbés par le photosensibilisateur lui-même conjugué à la nanoparticule. C’est dans ce contexte que nous avons développé des nanoparticules Gd2O2S : Eu3+, possédant dans leur cœur du gadolinium (agent permettant le rehaussement positif du signal IRM) dopé avec de l’europium ou du terbium (pour une l’absorption des RX) et conjugués à des photosensibilisateurs (porphyrine, chlorine zinguée et phtalocyanine zinguée). D’autres nanoparticules TbO3, de plus petite taille, possédant dans leur cœur de l’oxyde de terbium, enrobé d’une couche de polysiloxane dans laquelle est incorporée de la porphyrine ont aussi été synthétisées et étudiées. Ces nanoparticules offrent à la fois une possibilité d’effet radiothérapie, d’effet PDT, tout en offrant la possibilité de visualiser les tumeurs par IRM. Nous avons mis au point un protocole de synthèse permettant d’obtenir la porphyrine avec de bons rendements tout en limitant le temps de synthèse et les étapes de purification. Les synthèses et purifications des nanoparticules ont été optimisées. Les caractérisations physico-chimiques et photophysiques des nanoparticules ont été réalisées, en particulier leur capacité à produire de l’oxygène singulet. L’efficacité du transfert d’énergie entre les nanoparticules et les photosensibilisateurs dans le but d’obtenir un effet PDT a été évaluée et des essais préliminaires sous excitation par rayons X ont été entrepris / PDT or photodynamic therapy is a method mainly used against cancer. PDT is based on the activation by light of photosensitive molecules, called photosensitizers, non-toxic in the dark. After excitation by light in the presence of oxygen, the photosensitizers generate reactive oxygen species including singlet oxygen, which lead to photo-oxidation reactions and cell death. This method is clinically applied in France and in several countries of the world but still has some limitations such as the low depth of light penetration in tissues. It therefore can be applied only to surface tumors such as actinic keratoses and small tumors accessible to laser light. To treat deep tumors by PDT, we propose an innovative strategy based on the use of X-rays known for their penetrating power. Since most photosensitizers are not radiosensitive, they cannot be excited by X-rays. Recent advances in nanotechnology have led us to consider a novel therapeutic strategy that can combine both the principles of PDT and radiotherapy through the development of scintillator containing nanoparticles excitable by X-rays. The concept is to use the scintillator included in the nanoparticle’s core which, excited by X-rays, can emit photons, which, in turn, can be re-absorbed by the photosensitizer itself conjugated to the nanoparticles. It is in this context that we developed nanoparticles of Gd2O2S:Eu3+, with in their core gadolinium (which is a MRI positive enhancement agent) doped with europium or terbium (for RX absorption) and coupled with photosensitizers (porphyrin, zinc chlorin and zinc phthalocyanine). We have developed a synthesis protocol for obtaining the porphyrin in good yields while limiting the time of synthesis and purification steps. The syntheses and purifications of nanoparticles were optimized. The physicochemical and photophysical characterization of the nanoparticles were performed, in particular their ability to produce singlet oxygen. Other Tb2O3 nanoparticles of smaller size, coated with a polysiloxane layer coupled to porphyrin have also been synthesized and studied. These nanoparticles offer both an opportunity for radiotherapy effect of PDT effect, while providing the ability to be detected by MRI. The efficiency of energy transfer between the nanoparticles and the photosensitizers in order to obtain a PDT effects was assessed and preliminary tests under X-ray excitation were undertaken