Cette thèse porte sur l'effet de l'incorporation du polymère adsorbant polyéthylène glycol (PEG) sur les propriétés structurelles et élastiques des mésophases lamellaires lyotropes. En particulier, ces phases lamellaires dopées au polymère sont d'un grand intérêt pour la compréhension des interactions inter-membranaires médiées par la macromolécule. Dans un premier temps, le module élastique de courbure des membranes a été étudié le long de plusieurs lignes de dilution de polymère. Il a été obtenu à partir des mesures des couplages quadrupolaires par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide de deutérium des molécules de cotensioactif perdeuteré incorporée dans la membrane. En présence du polymère adsorbé, nous avons constaté que la valeur du module élastique de courbure augmentait d'environ 20% dès que la solution de polymère était semi-diluée. Deuxièmement, nous discutons le coefficient de diffusion du polymère dans l'eau et confiné dans la phase lamellaire. La structure des mésophases a été étudiée par diffusion aux petits angles par rayons X et par microscopie électronique après cryofracture. Finalement, les mesures directes du module de compressibilité des mésophases lamellaires ont également été réalisées. / This thesis deals with the effect of the incorporation of the adsorbing polymer polyethylene glycole (PEG) on the structural and elastic properties of lyotropic lamellar mesophases. In particular, these polymer doped-lamellar phases are of great interest for understanding the intermembrane interactions mediated by the macromolecule. Firstly, the bending elastic modulus of the membranes has been investigated along several dilution lines of polymer. It was obtained from the measurements of quadrupolar splittings by deuterium solid state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy of the perdeuterated cosurfactant molecule embedded in the membrane. In the presence of the adsorbed polymer the value of the bending elastic modulus was found to increase of about 20% as soon as the polymer solution becomes semi-diluted. Secondly, the diffusion coefficient of the polymer in water and confined in the lamellar phase is discussed. The structure of the mesophases was investigated by small angle X-ray scattering and freeze-fracture electon microscopy. Finally, the direct measurements of the compressibility modulus of the lamellar mesophases were also carried out.

Pour comprendre l'origine de la torsion lamellaire dans le poly(triméthylène téréphtalate), PTT, une étude a été entrepris sur la structure des sphérolites à bandes de PTT en utilisant la micro-diffraction des rayons-X sur une source synchrotrone. Nous avons démontré que les pics de diffraction de la maille triclinique de PTT révèlent une variation périodique de l'intensité en fonction de la distance jusqu'au centre sphérolitique lorsque nous effectuons un balayage avec un micro-faisceau de rayons X. Cela indique que la torsion lamellaire est strictement uniforme et régulière. Celte derrière observation est plus compatible avec le modèle expliquant la torsion comme résultat de contraintes surfaciques que des dislocations-vis géantes. En outre, les données expérimentales montrent que les polymères achiraux ne sont pas indifférents par rapport à l'inversion de la chiralité lamellaire, et que le changement de la chiralité est nécessairement accompagné d'un changement de signe du vecteur de croissance. En plus, nous avons observé que l'inclinaison globale de la chaîne (c'est à dire, l'inclinaison du paramètre c de la maille dans le plan perpendiculaire à la direction de la croissance rapide) n'affecte pas la vitesse et le sens de la torsion. Cela remet en question la seconde hypothèse du modèle de Keith et Padden. Par contre, l'inclinaison des segments de la chaine à l'interface du cristal lamellaire peut être identifiée comme le facteur clé déterminant les contraintes superficielles qui provoquent la torsion lamellaire. Avec la variation de l'épaisseur du cristal la chiralité lamellaire change, ce qui dû au changement de l'angle des segments polymères à l'interface. / To address the origin of the lamellar twisting in polytrimethylene terephthalate (PTT) an in-depth micro-focus X-ray scattering study was correlated to the data derived using conventional polarized optical microscopy to study the banded spherulite texture for PTT. It is shown that the diffraction peaks of the triclinic lattice of PTT show a periodical pattern as a function of the distance from the spherulite center when scanned with the micro focus X-ray beam. This indicates that the lamellar twist has a strictly uniform and regular nature. The latter observation is more compatible with the model explaining the twist as a result of unbalanced surface stresses than the giant screw dislocations. Moreover, the data shows that achiral polymers are in fact not indifferent to the inversion of the lamellar handedness, and that a change in handedness is necessarily accompanied by a change in the sign of the growth vector. At the same time, we show that the overall chain tilt (i.e., the inclination of the c-parameter of the unit cell in the plane perpendicular to the fast growth direction) does not affect the rate and sense of twisting. This calls into question the second premise of the KP-mod el. Instead, the local inclination of the terminal segment of the crystalline stem protruding the lamellar surface can be identified as the origin of the surface stresses and forcing the lamellar ribbon to twist. With the variation of the crystal thickness as a function of crystallization temperature the angle and direction of this segment is changed, resulting in a change of the lamellar ribbon chirality.

La 1-β-D-arabinofuranosylcytosine (ara-C) demeure l’agent anticancéreux principalement utilisé dans le traitement de la leucémie myéloblastique aiguë (LMA), malgré sa dégradation et son élimination rapide après une administration parentérale. Son encapsulation dans des vecteurs pharmaceutiques, majoritairement des liposomes, a permis de surmonter ces inconvénients. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer deux systèmes à libération prolongée, à base de phospholipides, de cholestérol et de poly(éthylène glycol) (PEG) afin d’encapsuler l’ara-C et ultimement, d’améliorer son efficacité dans le traitement de la LMA. Des Sphérulites® (vésicules multilamellaires d’un type particulier) ont d’abord été étudiées pour leur forte capacité d’encapsulation, due à leur mode de préparation. Par la suite, une formulation liposomale capable, d’une part de cibler spécifiquement les cellules leucémiques et, d’autre part, de promouvoir la libération intracellulaire de l’ara-C grâce à sa sensibilité au pH, a été mise au point. Les deux formulations se devaient d’avoir un faible diamètre, une stabilité en présence de fluides biologiques et des temps de circulation prolongés chez l’animal. Une préparation de Sphérulites®, composée de Phospholipon 90G, de Solutol HS15 et de cholestérol, a permis d’obtenir des vésicules de 300 nm de diamètre. Un dérivé lipidique de PEG a pu être fixé à leur surface, sans modifier la disposition concentrique des lamelles, ni changer leur stabilité. Les Sphérulites® PEGylées ont été chargées d’ara-C et injectées chez le rat par la voie intraveineuse. Elles ont démontré des temps de circulation significativement prolongés comparativement aux Sphérulites® sans PEG. Cependant, l’ara-C s’est retrouvée éliminée de la circulation sanguine très rapidement, révélant une libération précoce du principe actif à partir de ces vésicules. Les liposomes sensibles au pH (~150 nm) ont été obtenus suite à l’insertion d’un copolymère à base de dioctadécyle, de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique. L’anticorps anti-CD33, soit complet soit son fragment Fab’, a été fixé à la surface des liposomes afin de cibler les cellules leucémiques. Les essais in vitro ont démontré la spécificité de la formulation pour différentes cellules leucémiques (CD33+), sa stabilité en présence de protéines plasmatiques et la libération intracellulaire d’un marqueur fluorescent et de l’ara-C. Enfin, des études menées chez la souris saine et immunodéprimée inoculée de cellules HL60 ont montré que la formulation exposant le fragment Fab’ possédait un profil pharmacocinétique et une biodistribution semblables à ceux des liposomes contrôles non-ciblés. L’encapsulation de l’ara-C a permis d’améliorer grandement ses temps de circulation après une administration intraveineuse. Cependant, bien que les immunoliposomes ont permis de prolonger la survie des souris leucémiques comparativement à l’ara-C libre, l’addition du polymère sensible au pH n’a pas permis d’apporter de réel avantage à la formulation lorsque administrée in vivo. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ont, dans un premier temps, mis en évidence que les Sphérulites® pourraient s’avérer utiles dans la vectorisation d’agents anticancéreux si leur capacité à retenir le principe actif in vivo était améliorée. Dans un second temps, les données présentées avec les immunoliposomes suggèrent qu’ils pourraient apporter un bénéfice notable dans le traitement de la LMA. / Despite its rapid degradation and fast elimination in vivo, 1-β-D-arabinofuranosylcytosine (ara-C) is the main anticancer agent used in the treatment of acute myeloid leukemia (AML). The encapsulation of this drug into nanocarriers such as liposomes has been shown to improve its stability, pharmacokinetic profile and, consequently, the treatment efficacy. The purpose of this doctoral work was to develop two nanocarriers employing phospholipids, cholesterol and poly(ethylene glycol) (PEG) to encapsulate ara-C, with the ultimate goal of developing more efficient treatments for AML. The first formulation relied on Spherulites®, which are multilamellar vesicles possessing high entrapment yields due to their fabrication method. In a second part, pH-sensitive immunoliposomes were optimized to target specifically the leukemia cells and promote the release of the loaded ara-C at the desired intracellular site. Both formulations required a small diameter, stability in the presence of biological fluids and long circulation time properties when injected intravenously. An optimized formulation of Spherulites® was developed. It was composed of Phospholipon 90G, Solutol HS15 and cholesterol. The vesicles (300 nm) were able to accommodate PEG-lipid derivatives at their surface without altering their concentric lamellar shape and their in vitro stability. The PEGylated Spherulites® were loaded with ara-C and injected intravenously into rats. The surface-modified vesicles exhibited longer circulation times compared to uncoated Spherulites®. However, most of the loaded-drug was cleared from the systemic circulation very rapidly, reflecting rapid leakage of ara-C from the vesicles. The pH-sensitive immunoliposomes (~150 nm) were obtained by including a terminally-alkylated copolymer made of dioctadecyl, N-isopropylacrylamide (NIPAM) and methacrylic acid in the liposome bilayer. The whole monoclonal antibody anti-CD33 or its Fab’ fragment were grafted on liposomes to target leukemic cells. In vitro assays revealed that this formulation was really specific for the various CD33+ leukemic cell lines, stable in presence of blood proteins, and able to promote the intracellular release of an encapsulated fluorescent probe as well as ara-C. In vivo studies in naïve Balb/c and immunodeprimed (SCID) mice inoculated with HL60 cells confirmed that the anti-CD33 Fab’ targeted formulation possessed pharmacokinetic and biodistribution profiles similar to those of the non-targeted liposomes. The encapsulation of ara-C in this formulation improved substantially its circulation time after intravenous injection. However, although ara-C-loaded immunoliposomes were able to prolong the survival of leukemic mice compared to the free drug, the addition of pH-sensitive polymer did not add any benefit to the formulation. Although these formulations require some optimization, the first part of this work pointed out that Spherulites® could be used to deliver anticancer agents provided that leakage is reduced in vivo. On the other hand, the data obtained with the targeted immunoliposomes suggest that these carriers could be beneficial in the treatment of AML.

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