Les cellules cancéreuses du sein sont souvent réfractaires aux morts radio-induites, diminuant ainsi l'efficacité des traitements de radiothérapie. L'irradiation d'atomes radiosensibilisants, comme le brome, l'iode et le platine, peut augmenter la concentration locale de radicaux libres dans les cellules. Cet effet peut être obtenu en amplifiant la création d'électrons Auger générés par un mécanisme résonant, ou non résonant impliquant des électrons secondaires créés suite à l'ionisation de l'eau par la radiation. Le but de cette étude était d'évaluer et de comparer des dérivés de porphyrines cationiques bromées comme nouveaux radiosensibilisateurs potentiels pour le traitement du cancer du sein. La capacité radiosensibilisante de trois porphyrines bromées a été mesurée et comparée avec celle de leur homologue non bromé par test de formation de colonies sur les cellules cancéreuses mammaires humaines MDA-MB-231. Seulement les deux porphyrines portant des atomes de bromes en périphérie ont démontré un pouvoir radiosensibilisant, soit le CuPBr[indice inférieur 8](PyPrBr[indice inférieur 2])[indice inférieur 4] et le CuP(PyPreBr[indice inférieur 2])[indice inférieur 4]. Le CupBr[indice inférieur 8](PyPrBr[indice inférieur 2)[indice inférieur 4] est un dérivé de porphyrine avec 16 bromes répartis équitablement sur les chaînes propyles périphériques et sur le centre de la molécule. Ce composé à une concentration de 10 [micro]M, en combinaison avec une dose de radiation de 2 Gy, a conduit à une radiosensibilisation de 76,6% avec des rayons-x de 14,8 keV, de 53,8% avec des rayons-x de 70,1 keV et de 48,4% avec des rayons gamma ([indice supérieur 60]Co). Son effet radiosensibilisateur a été dépendant de la dose de radiation pour les 3 sources entre 1 et 3,5 Gy et de la concentration entre 5 et 10 [micro]M au [indice supérieur 60]Co. L'effet radiosensibilisateur du CuPBr[indice inférieur 8](PyPrBr[indice inférieur 2])[indice inférieur 4] mesuré suite à l'irradiation de 2 Gy au [indice supérieur 60]Co a été indépendant de la présence du métal au centre de la porphyrine bromée et semblable à celui du CuP(PyPreBr[indice inférieur 2])[indice inférieur 4], un dérivé portant 8 bromes uniquement sur ses groupements périphériques. Alors qu'aucun effet radiosensibilisateur n'a été observé avec la troisième porphyrine, le CuPBr[indice inférieur 8](PyM)[indice inférieur 4] dont les huit bromes ont été ajoutés uniquement sur le centre de la molécule. D'autre part l'ajout du CuPBr[indice inférieur 8](PyPrBr[indice inférieur 2)[indice inférieur 4] sur les cellules cancéreuses mammaires de souris MC7-L1, combiné avec 2 Gy de rayons-x de 14,8 keV, a amené une radiosensibilisation de 41,4%. Dans le cas des cellules MDA-MB-231, la radiosensibilisation des porphyrines bromées en périphérie a corrélé avec une accumulation cellulaire de drogue supérieure à leur homologue non bromé de 2,5 fois pour le CuPBr[indice inférieur 8](PyPrBr[indice inférieur 2])[indice inférieur 4], la porphyrine portant 16 bromes et de 4 fois pour le CuP(PyPreBr[indice inférieur 2)[indice inférieur 4], la porphyrine avec 8 bromes uniquement en périphérie. Cette augmentation de la radiosensibilité n'a cependant pas été associée à une formation d'espèces toxiques issues de la dégradation des porphyrines lors de l'irradiation, démontré par analyse des porphyrines irradiées en solution et traitement des cellules avec les radiosensibilisateurs pré-irradiés seuls. La radiosensibilisation par ces composés bromés n'a pas non plus conduit à une externalisation des phosphatidylsérines, ni à une perméabilisation de la membrane cellulaire et aucune variation du potentiel de la membrane mitochondriale n'a été mesurée. Ces observations ont permis de conclure que la mort cellulaire principalement associée à la radio sensibilisation n'était pas l'apoptose. En conclusion, l'étude de ces porphyrines bromées en périphérie a démontré que cette classe de radiosensibilisateurs pourrait avoir un bon potentiel d'application pour traiter les cellules cancéreuses mammaires.

Ce mémoire est présenté à la Faculté de médecine et des sciences de la santé de l'Université de Sherbrooke en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.) en radiobiologie (2009). Un jury a révisé les informations contenues dans ce mémoire. Il était composé de professeurs de la Faculté de médecine et des sciences de la santé soit : Darel Hunting PhD, directeur de recherche (département de médecine nucléaire et radiobiologie), Léon Sanche PhD, directeur de recherche (département de médecine nucléaire et radiobiologie), Richard Wagner PhD, membre du programme (département de médecine nucléaire et radiobiologie) et Guylain Boissonneault PhD, membre extérieur au programme (département de biochimie). Le 5-bromodéoxyuridine (BrdU), un analogue halogéné de la thymidine reconnu depuis les années 60 comme étant un excellent radiosensibilisateur. L'hypothèse la plus répandue au sujet de l'effet radio sensibilisant du BrdU est qu'il augmente le nombre de cassures simple et double brin lorsqu'il est incorporé dans l'ADN de la cellule et exposé aux radiations ionisantes. Toutefois, de nouvelles recherches semblent remettre en question les observations précédentes. Ces dernières études ont confirmé que le BrdU est un bon radiosensibilisateur, car il augmente les dommages radio-induits dans l'ADN. Mais, c'est en étant incorporé dans une région simple brin que le BrdU radiosensibilise l'ADN. Ces recherches ont également révélé pour la première fois un nouveau type de dommages produits lors de l'irradiation de l'ADN contenant du BrdU : les dimères interbrins. Le but de ces travaux de recherche est de déterminer si la présence de bromodéoxyuridine dans l'ADN augmente l'induction de bris simple et / ou double brin chez les cellules irradiées en utilisant de nouvelles techniques plus sensibles et spécifiques que celles utilisées auparavant. Pour ce faire, les essais comètes et la détection des foci H2AX phosphorylée pourraient permettre d'établir les effets engendrés par le BrdU au niveau cellulaire. Notre hypothèse (basée sur des résultats préliminaires effectués dans notre laboratoire) est que l'irradiation de l'ADN cellulaire en présence de BrdU augmentera le nombre de bris simple brin sans toutefois augmenter le nombre de bris double brin. Les résultats présentés dans ce mémoire semblent corroborer cette hypothèse. Les nouvelles méthodes d'analyse, soient l'essai comète et la détection des foci [gamma]-H2AX remettent en question ce qui a été dit sur le BrdU au sujet de l'induction des cassures double brin depuis plusieurs années. L'ensemble de ces nouveaux résultats effectué à l'aide de cellules ayant incorporées du BrdU sont en corrélation avec de précédents résultats obtenus dans notre laboratoire sur des oligonucléotides bromés. Ils réaffirment que l'irradiation combinée au BrdU augmente l'induction de bris simple brin mais pas de bris double brin. L'investigation approfondie des mécanismes d'action non élucidés du BrdU au niveau cellulaire et son utilisation à des moments stratégiques pendant le traitement de radiothérapie pourraient accroître son efficacité à des fins d'utilisation clinique.

Cette thèse approfondit l'étude de nanoparticules d'or de 5 nm de diamètre recouvertes de diamideéthanethioldiethylènetriaminepentacétate de gadolinium (DTDTPA:Gd), un agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM). En guise de ciblage passif, la taille des nanoparticules a été contrôlée afin d'utiliser le réseau de néovaisseaux poreux et perméable des tumeurs. De plus les tumeurs ont un drainage lymphatique déficient qui permet aux nanoparticules de demeurer plus longtemps dans le milieu interstitiel de la tumeur. Les expériences ont été effectuées sur des souris Balb/c femelles portant des tumeurs MC7-L1. La concentration de nanoparticules a pu être mesurée à l'IRM in vivo . La concentration maximale se retrouvait à la fin de l'infusion de 10 min. La concentration s'élevait à 0.3 mM dans la tumeur et de 0.12 mM dans le muscle environnant. Les nanoparticules étaient éliminées avec une demi-vie de 22 min pour les tumeurs et de 20 min pour le muscle environnant. Les nanoparticules ont été fonctionnalisées avec le peptide Tat afin de leur conférer des propriétés de ciblage actif La rétention de ces nanoparticules a ainsi été augmentée de 1600 %, passant d'une demi-vie d'élimination de 22 min à 350 min. La survie des souris a été mesurée à l'aide de courbes Kaplan-Meier et d'un modèle mathématique évalue l'efficacité de traitements. Le modèle nous permet, à l'aide de la vitesse de croissance des tumeurs et de l'efficacité des traitements, de calculer la courbe de survie des spécimens. Un effet antagoniste a été observé au lieu de l'effet synergétique attendu entre une infusion de Au@DTDTPA:Gd et l'irradiation aux rayons X. L'absence d'effet synergétique a été attribuée à l'épaisseur du recouvrement de DTDTPA:Gd qui fait écran aux électrons produits par l'or. De plus, le moyen d'ancrage du recouvrement utilise des thiols qui peuvent s'avérer être des capteurs de radicaux. De plus, contrairement a ce qui était escompté, un effet chimiothérapeutique de ces nanoparticules a été observé in vitro et in vivo . Par contre, le mécanisme précis de cet effet est encore à être expliquer, mais on sait déjà que les nanoparticules d'or affectent les fonctions des macrophages ainsi que l'angiogenèse.

Les nanoparticules (NPs) hybrides peuvent combiner les propriétés physiques uniques des éléments inorganiques pour des applications en imagerie et en thérapeutique avec la biocompatibilité des structures organiques. Cependant, leur utilisation en médecine est encore limitée par des risques potentiels de toxicité à long terme. Dans ce contexte, des NPs hybrides ultrafines pouvant être éliminées rapidement par la voie rénale apparaissent comme de bonnes candidates pour la nanomédicine. La NP à base de silice contenant des chélates du gadolinium appelée AGuIX (Activation et Guidage de l’Irradiation par rayon-X) a été développée avec un diamètre hydrodynamique de moins de 5 nm qui lui permet d’être éliminée rapidement via l’urine après injection intraveineuse. Cette NP s’est révélée être une sonde efficace en imagerie multimodale et un amplificateur local en radiothérapie pour le diagnostic et le traitement du cancer. Elle est en train d’être évaluée dans un essai clinique de phase I par radiothérapie des métastases cérébrales (NANO-RAD, NCT02820454). Néanmoins, la synthèse d’AGuIX est un procédé multi-étapes qui est difficilement modulable.Ce manuscrit rapporte, pour la première fois, le développement d’un protocole « one-pot » direct pour des nanoparticules de silice ultrafines (USNP) contenant des chélateurs complexés ou non à partir des précurseurs silanes chélatants moléculaires. Dans ce nouveau protocole, la taille des particules et les types des métaux chélatés peuvent être contrôlés facilement. Certaines des propriétés chimiques des USNP ont été clarifiées davantage pendant ce travail exploratoire. Les particules élaborées ont été caractérisées par différentes techniques analytiques complémentaires. Ces nouvelles nanoparticules USNPs présentent des caractéristiques similaires aux AGuIX en terms de propriétes biologiques et de biodistribution.Dans un second temps, un nouveau protocole de fonctionnalisation d’USNP par des précurseurs silanes chélatants a été développé. Ces chélatants libres fonctionnalisés sur la particule peuvent être alors utilisés afin de complexer des radiométaux pour l’imagerie bimodale. Enfin, d’autres stratégies de fonctionnalisation sont aussi décrites. La nouvelle sonde (17VTh031) combinant un petit chélateur cyclique (NODA) et un fluorophore proche-infrarouge tumeur ciblant (IR783) ainsi que le pyridinium quaternaire ont été greffés sur l’AGuIX pour créer une nouvelle sonde en imagerie multimodale et cibler des tumeurs chondrosarcomes respectivement / Hybrid nanoparticles (NPs) can combine unique physical properties for imaging and therapeutic applications of inorganic elements in bio-friendly organic structures. However, their uses in medicine are limited by the potential risks of long-term toxicities. In this context, ultrasmall renal clearable NPs appear as novel solutions. Silica based NP displaying gadolinium chelates named AGuIX (Activation and Guidance for Irradiation by X-ray) has been developed to have hydrodynamic diameter less than 5 nm which allows rapid elimination through urine after intravenous injection. This NP has been demonstrated as an efficient multimodal imaging probe and a local enhancer for radiotherapy for cancer diagnostics and treatment. It is now being evaluated in a phase I clinical trial by radiotherapy of cerebral metastases (NANO-RAD NCT02820454). Nevertheless, the synthesis of AGuIX implies a multisteps process that can be further improved.This manuscript shows, for the first time, the development of a straightforward one-pot protocol for ultrasmall silica nanoparticles (USNP) containing complexed or non-complexed chelators from molecular chelating silane precursors. In this new protocol, the size of particle and types of metals can be easily tuned. The chemical properties of USNP have been further clarified during this exploratory work. The produced particles have been characterized by different complimentary analytical techniques. These new nanoparticles USNPs show similar characteristics to AGuIX in terms of biological properties and biodistribution.Secondly, a new protocol of functionalization for USNP by chelating silane precursors has been developed. These functionalized free chelators on the particle can be used then to complex radiometals for bimodal imaging applications. Finally, other functionalization strategies have also been described. New probe (17VTh031) combining small cyclic chelator (NODA) and tumor targeting near-infrared fluorophore (IR783) as well as quaternary pyridinium have been grafted on AGuIX for creating new multimodal imaging probe and targeting chondrosarcoma tumors respectively