Avec 8,8 millions de morts en 2015, le cancer est la deuxième cause de mortalité dans le monde et le nombre de nouveaux cas ne devrait cesser d'augmenter dans les décennies à venir. Il est donc primordial de développer de nouveaux outils pour le diagnostic et la thérapie de ces maladies. Dans ce contexte, l'Institut Lumière Matière a développé une nanoparticule appelée AGuIX® (Activation et Guidage de l'Irradiation X). De taille inférieure à 5 nm, elle est constituée d'une matrice de polysiloxane, à la surface de laquelle sont greffés de manière covalente des complexes de gadolinium. La présence de ces complexes lui permet d'être utilisée comme agent de contraste en Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) et d'améliorer l'efficacité de la radiothérapie (effet radiosensibilisant).Cette thèse traite du développement d'une deuxième génération de nanoparticules AGuIX® afin de permettre des diagnostics encore plus précis ou des thérapies encore plus performantes. Pour cela, on a cherché : (i) à améliorer l'effet radiosensibilisant de cette nanoplateforme en ajoutant des complexes de bismuth à sa surface ; (ii) à complexer des radiométaux variés pour permettre la détection des particules en scintigraphie ; (iii) à fonctionnaliser les particules pour mettre en place de la photothérapie dynamique guidée par IRM. Dans tous les cas, après avoir optimisé les synthèses, différentes techniques de caractérisation ont été mises en place afin d'obtenir une description précise des particules. L'efficacité de ces nano-objets pour le diagnostic et/ou le traitement des cancers a ensuite été évaluée grâce à de nombreuses collaborations, en France ou à l'international / With 8.8 million deaths in 2015, cancer is the second leading cause of death in the world and the number of new cases should continue to increase in the decades to come. It is therefore essential to develop new tools for the diagnosis and therapy of this disease. In this context, the Institute of Light and Matter has developed a nanoparticle called AGuIX® (Activation and Guidance of Irradiation X). With a size below 5 nm, it is made of gadolinium chelates covalently grafted to a polysiloxane core. Thanks to these complexes, the nanoparticle can be used as a contrast agent for Magnetic Resonance Imaging (MRI) and can improve the radiotherapy efficacy (radiosensitizing effect).The goal of this PhD is to develop a second generation of AGuIX® nanoparticles to allow even more precise diagnosis or even more effective therapies. For this, we focused on: (i) improving the radiosensitizing effect of this nanoplateform by adding bismuth complexes to its surface; (ii) complexing various radiometals to enable the NPs detection by scintigraphy; (iii) functionalizing the NPs for MRI-guided photodynamic therapy. In all cases, after optimization of the syntheses, various characterization techniques were put in place to obtain an accurate description of the particles. The effectiveness of these new nano-objects for the diagnosis and/or treatment of cancers was then evaluated thanks to several collaborations, in France or internationally

La photothérapie dynamique (PDT) consiste à injecter un photosensibilisateur (PSr) au patient, puis à illuminer sa tumeur. En présence d’oxygène, le PSr activé entraîne la formation d’oxygène singulet cytotoxique. Nos collaborateurs à l’Institut Curie ont synthétisé des dérivés porphyriniques glycoconjugués(TPP) pour traiter le rétinoblastome par PDT.Des études de caractérisation de ces TPP in vitro ont montré une internalisation dans la cellule par voie passive. C’est dans ce contexte que nous avons analysé l’interaction de certaines TPP avec les lipides membranaires.Dans un premier temps, cette interaction a été étudiée par une approche chromatographique sur des colonnes C18/C8, PolarTec, HILIC et IAM. Nous avons démontré une variation de l’interaction selon la structure des TPP. Par la suite, nous avons mis en évidence par DSC, les changements d’organisation de bicouches phospholipidiques produits par deux TPP d’intérêt, et déterminé par FTIR-ATR, la localisation de la perturbation au niveau des têtespolaires ou des chaines aliphatiques des lipides.Cette approche a été poursuivie par l’évaluation de la localisation des TPP à l’échelle cellulaire,par microspectroscopie IR couplée au rayonnement synchrotron. Une discrimination des TPP a été mise en évidence par des outils chimiométriques pour les cellules Y79, mais pas pour les lignées WERI-Rb1 ni ARPE-19. Afin de développer un modèle membranaire artificielde rétinoblastome, nous avons réalisé par spectrométrie de masse (Orbitrap) une analyse lipidomique approfondie des phospholipides des membranes plasmiques et mitochondriales des lignées Y79 et ARPE-19,. Nous avons analysé les propriétés visco-élastiques des extraits membranaires et proposé un modèle artificiel complexe mimant au moins partiellement ces propriétés. Ce modèle pourrait permettre le criblage in vitro des TPP. / Photodynamic therapy (PDT) is atreatment modality in which a photosensitizer(PSr) is injected to a patient. Then the tumor isilluminated with a laser. The excited PSrinduces the production of cytoxic singletoxygen. Our collaborators at the Institut Curiehave synthesized glycoconjugated tetraphenylporphyrins(TPP) for the treatment ofretinoblastoma by PDT. These compoundswere characterized in vitro and studies showedthat the most promising porphyrin crossed thecell membrane by passive transport. It is in thiscontext that this research was developed: theobjective was to study the interaction of aseries of porphyrins with membrane lipids.Firstly, porphyrin interaction with lipids wasstudied by a chromatographic approach onC18/C8, PolarTec, HILIC and IAM columns.Results showed a variation in the interactionaccording to porphyrin structures.Then, we demonstrated the effect of two TPPson phospholipid bilayers organization by DSC,and determined the localization of thisinteraction (polar heads or lipid aliphaticchains) by FTIR-ATR. The effect of TPPs onlipids and proteins was studied at the cellularlevel by IR microspectroscopy coupled withsynchrotron radiation. A discrimination ofporphyrins could be made by chemometrictools for Y79 cells but not for WERI-Rb1 norARPE-19 ones. In order to develop an artificialmembrane model, we performed lipidomicanalysis by mass spectrometry (Orbitrap) ofplasma and mitochondrial lipid membranes ofY79 and ARPE-19 cells. We determined theviscoelastic properties of lipid extracts andproposed an artificial lipid model partiallymimicking these viscoelastic properties. Thismodel could allow TPP screening in vitro.

L’utilisation de chromophores absorbant à deux photons (ADP) pour des applications en photothérapie dynamique (PDT) et en imagerie de fluorescence présente de nombreux avantages. Les propriétés non-linéaires de ces chromophores permettent notamment d’améliorer la longueur de pénétration dans les organismes vivants ainsi que la résolution. Pour des applications in-vivo la biocompatibilité de ces chromophores lipophiles doit aussi se poser. Une étude d’ingénierie pour le développement de chromophores pour la PDT-ADP en utilisant des atomes de brome comme groupe générateur d’oxygène singulet est décrite. Différents paramètres dont le nombre et la position des atomes de brome sur la chaîne carbonée, la longueur de conjugaison, la géométrie des chromophores ont été étudiés. Cette étude permet de mettre en évidence l’importance de la position des substituants bromes et de la symétrie sur le rendement de croisement inter-système.Les observations spectroscopiques faites lors de l’étude d’ingénierie ont permis de développer des chromophores pour la microscopie de fluorescence à deux photons. La biocompatibilité est apportée grâce à un polymère d’(hydroxyethyl)acrylate. Ce polymère permet de créer une coquille hydrosolubilisante covalente. Ces chromophores ont été utilisés pour faire de l’imagerie de vascularisation cérébrale de haute résolution. Une observation particulière sur un chromophore, marquage des cellules endothéliales des parois des vaisseaux sanguins intravitaux ainsi que les applications en résultant sont présentées. Des stratégies visant l’amélioration de la sélectivité des systèmes polymères/chromophores pour des applications intravitales, comme le traitement des tumeurs cancéreuses sont décrites. Une stratégie de modification des fonctions hydroxy des chaînes polymères par des groupements imidazoliums est présentée. L’étude de complexation des polymères avec l’ADN et les études spectroscopiques in-cellulo ont été réalisées. / The use of two-photon absorbing (TPA) chromophore for applications in photodynamic therapy (PDT) and fluorescence imaging provides many advantages. The non-linear properties make it possible to increase both observation depth in animals and 3D resolution. Nevertheless, for in-vivo applications, improving bio-compatibility of these inherently lipophilic chromophore is a challenge. The development of new chromophores for PDT-TPA using a molecular engineering approach using bromide substituents as singlet oxygen generators is described. Parameters like position and number of bromide, the conjugated length and chromophore symmetry are studied. The study shows the importance of bromide atom position and of the symmetry on the inter system crossing efficiency. During the engineering study, spectroscopic observation and rationalization permit to envision the design of new chromophores for two photon laser scanning fluorescent microscopy. Bio-compatibility of these chromophores is provided by (hydroxyethyl)acrylate polymer, which provides a covalent water-soluble shell. These chromophores are used to make high resolution image of cerebral vascularization. One of these chromophores shows intravital specific interaction with endothelial cells in blood vessels. Some applications of the chromophore are described. Strategies to increase the intravital selectivity of polymer/chromophores units towards cancer cells and tumor are presented. A modification of hydroxyl function by imidazolium group is described. This new chromophore is evaluated towards its complexation properties with DNA and in cellulo spectroscopic studies.