A prevalent morphology in the microscopic world of artificial microswimmers, bacteria and viruses is that of a helix. The intriguingly different physics at play at the small scale level make it necessary for bacteria to employ swimming strategies different from our everyday experience, such as the rotation of a helical filament. Bio-inspired microswimmers that mimic bacterial locomotion achieve propulsion at the microscale level using magnetically actuated, rotating helical filaments. A promising application of these artificial microswimmers is in non-invasive medicine, for drug delivery to tumours or microsurgery. Two crucial features need to be addressed in the design of microswimmers. First, the ability to selectively control large ensembles and second, the adaptivity to move through complex conduit geometries, such as the constrictions and curves of the tortuous tumour microvasculature. In this dissertation, a mechanics-based selective control mechanism for magnetic microswimmers is proposed, and a model and simulation of an elastic helix passing through a constricted microchannel are developed. Thereafter, a theoretical framework is developed for the propulsion by stiff elastic filaments in viscous fluids. In order to address this fluid-structure problem, a pertubative, asymptotic, elastohydrodynamic approach is used to characterise the deformation that arises from and in turn affects the motion. This framework is applied to the helical filaments of bacteria and magnetically actuated microswimmers. The dissertation then turns to the sub-bacterial scale of bacteriophage viruses, 'phages' for short, that infect bacteria by ejecting their genetic material and replicating inside their host. The valuable insight that phages can offer in our fight against pathogenic bacteria and the possibility of phage therapy as an alternative to antibiotics, are of paramount importance to tackle antibiotics resistance. In contrast to typical phages, flagellotropic phages first attach to bacterial flagella, and have the striking ability to reach the cell body for infection, despite their lack of independent motion. The last part of the dissertation develops the first theoretical model for the nut-and-bolt mechanism (proposed by Berg and Anderson in 1973). A nut being rotated will move along a bolt. Similarly, a phage wraps itself around a flagellum possessing helical grooves, and exploits the rotation of the flagellum in order to passively travel along and towards the cell body, according to this mechanism. The predictions from the model agree with experimental observations with respect to directionality, speed and the requirements for succesful translocation.

Les conjugués anticorps-médicament (ADC) représentent une avancée révolutionnaire dans la thérapeutique du cancer en délivrant de manière sélective des médicaments cytotoxiques aux cellules tumorales, minimisant ainsi la toxicité systémique. Les ADC se composent de trois composants principaux : un anticorps monoclonal (mAb) ciblant un antigène spécifique associé à la tumeur, un médicament cytotoxique et un lien qui conjugue le médicament à l’anticorps. Malgré leur potentiel thérapeutique, la fabrication des ADC est confrontée à d’importants défis, nécessitant l’optimisation de plusieurs paramètres, en particulier pour obtenir une technologie de conjugaison optimale et un ratio médicament-anticorps (DAR) optimal. Les méthodes de conjugaison traditionnelles basées sur la chimie donnent souvent lieu à des mélanges hétérogènes avec des DAR variables, ce qui peut affecter négativement l’efficacité thérapeutique et la sécurité du produit final. Pour résoudre ce problème, la conjugaison spécifique au site a émergé comme une méthode plus précise, garantissant que les médicaments cytotoxiques sont attachés à des sites spécifiques sur la molécule d’anticorps. Cette technique vise à produire des ADC homogènes avec des DAR constants, améliorant ainsi leur pharmacocinétique et leur pharmacodynamie. Cependant, les conjugaisons spécifiques au site ne sont pas exemptes de limitations. L’un des principaux défis réside dans la complexité de l’ingénierie des modifications nécessaires. L’introduction de sites de conjugaison spécifiques nécessite un génie génétique précis, ce qui peut être techniquement difficile et chronophage. De plus, les processus de fabrication des ADC spécifiques au site sont plus complexes et nécessitent des techniques sophistiquées et des mesures étendues de contrôle qualité. Ces facteurs peuvent donc affecter la production d’ADC basée sur la conjugaison spécifique au site. Le travail présenté dans cette thèse de doctorat propose l’utilisation d’une paire de peptides hétérologues à haute affinité, à savoir les coiled-coils E/K, pour produire des ADC avec une homogénéité améliorée et un DAR contrôlable. Pour commencer, nous avons conçu, produit et purifié une bibliothèque d’anticorps monoclonaux (trastuzumab) marqués avec divers peptides Ecoil et évalué leur manufacturabilité via une transfection transitoire dans des cellules d’ovaire de hamster chinois (CHO) et avons étudié les caractéristiques des anticorps marqués produits. Nos données montrent que l’ajout de peptides Ecoil aux extrémités C-terminales des chaînes d’anticorps (chaînes légères, chaînes lourdes ou les deux) n’entrave pas la production de constructions chimériques de trastuzumab. De plus, les tests analytiques et cellulaires ont confirmé que les constructions de trastuzumab marquées avec Ecoil ont maintenu leur bioactivité. La position, le nombre et la longueur des peptides Ecoil n’ont eu aucune influence sur l’affinité de liaison et la stabilité des anticorps marqués à leur antigène. Dans le cadre d’une étude supplémentaire et d’une étape supplémentaire pour démontrer la polyvalence des peptides E/K, nous avons également évalué la capture et la libération du trastuzumab marqué avec Ecoil produit à partir d’hydrogels de dextrane macroporeux fonctionnalisés avec le peptide Kcoil (le partenaire de liaison du peptide Ecoil). Ensemble, ces données ont révélé que les peptides Ecoil, quelle que soit leur longueur, leur nombre et leur position sur l’anticorps, n’avaient aucun effet significatif sur la manufacturabilité, la capacité de liaison ou le schéma de libération de l’hydrogel. Sur la base de cette fondation, nous avons exploré l’utilisation de deux peptides d’affinité complémentaires, E-coil (EVSALEK) et K-coil (KVSALKE), pour développer des ADC avec une homogénéité améliorée et un DAR contrôlable. En utilisant une méthode d’analyse par résonance plasmonique de surface (SPR) sur mesure et une chromatographie d’exclusion stérique, nous avons mesuré la dissociation cinétique et la stabilité des complexes formés par le trastuzumab marqué avec Ecoil et la protéine fluorescente rouge monomérique (mRFP) marquée avec Kcoil en tant que substitut de médicament. La stabilité in vitro a également été évaluée dans le sérum sanguin à l’aide d’un test ELISA en interne avant les études in vivo. Ensuite, pour évaluer les performances in vivo, nous avons mené des études de biodistribution et de localisation tumorale dans des modèles de souris xénogreffées HER2. Ces expériences ont démontré la stabilité de nos ADC dans la circulation sanguine et leur accumulation efficace sur le site de la tumeur. En général, ce projet vise à démontrer la faisabilité et la polyvalence du système d’affinité E/K pour la conjugaison spécifique au site de molécules thérapeutiques sur le squelette d’anticorps sans modifications chimiques complexes/préjudiciables. La fabrication simplifiée des ADC en utilisant cette méthode de “conjugaison en une seule étape” présentée ici ouvre la voie au développement de nouvelles méthodes dans la production d’ADC avec potentiellement une pharmacocinétique, une bioactivité et une stabilité améliorée. / Antibody-drug conjugate (ADC) represents a transformative breakthrough in cancer therapeutics by selectively delivering cytotoxic drugs to tumor cells, thereby minimizing systemic toxicity. ADC consists of three main components: a monoclonal antibody (mAb) targeting a specific tumor-associated antigen, a cytotoxic drug, and a linker that conjugates the drug to the antibody. Despite their therapeutic potential, the manufacturing of ADCs faces significant challenges, requires the optimization of several parameters particularly in achieving optimal conjugation technology and drug-to-antibody ratio (DAR). Traditional chemical-based conjugation methods often result in heterogeneous mixtures with variable DARs, which can adversely affect the therapeutic efficacy and safety of the final product. To address this issue, site-specific conjugation has emerged as a more precise method, ensuring that cytotoxic drugs are attached to specific sites on the antibody molecule. This technique aims to produce homogeneous ADCs with consistent DARs, thereby enhancing their pharmacokinetics and pharmacodynamics. However, site-specific conjugations are not exempt from limitations. One of the main challenges is the complexity involved in engineering the necessary modifications. Introducing specific conjugation sites requires precise genetic engineering, which can be technically challenging and time-consuming. Moreover, site-specific ADC manufacturing processes are more complex and require sophisticated techniques and extensive quality control measures. These factors can therefore affect ADC production based on site-specific conjugation. The work presented in this doctoral thesis proposed use of a high-affinity peptide pair, namely the E/K coiled-coils, to produce ADCs with improved homogeneity and controllable DAR. To begin with, we designed, produced, and purified a library of monoclonal antibodies (trastuzumab) tagged with various Ecoil peptides and evaluated their manufacturability via transient transfection in Chinese hamster ovary (CHO) cells and investigated the characteristics of the produced tagged antibodies. Our data show that the addition of Ecoil tags at the C-termini of antibody chains (light chains, heavy chains, or both) does not hinder the production of chimeric trastuzumab constructs. Further, analytical and cell-based assays confirmed that the Ecoil-tagged trastuzumab constructs maintained their bioactivity. The position, number, and length of the Ecoil tags had no influence on the binding affinity and stability of tagged antibodies to HER2 antigen. As an additional study and an extra step towards demonstrating the versatility of the E/K affinity peptides, we also evaluated the capture and release of produced Ecoil-tagged trastuzumab from macroporous dextran hydrogels functionalized with Kcoil peptide (the Ecoil peptide binding partner). Together, these data revealed that the Ecoil tags, regardless of their length, number, and position on the antibody, had no significant effect on manufacturability, binding capacity, or release pattern from the hydrogel. Building on this foundation, we explored the use of two complementary affinity peptides, E-coil (EVSALEK) and K-coil (KVSALKE), to develop ADCs with improved homogeneity and controllable DAR. Using a tailored surface plasmon resonance (SPR) assay and size exclusion chromatography(SEC), we measured the kinetics of dissociation and stability of the complexes formed by Ecoil-tagged trastuzumab and Kcoil-tagged monomeric red fluorescent protein (mRFP) as a drug surrogate. The in vitro stability was also assessed in blood serum using an in-house enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) prior to the in vivo studies. Next, to evaluate the in vivo performance, we conducted biodistribution and tumor localization studies in HER2 xenograft mouse models, specifically using SKOV-3 cells, which exhibit deregulated HER2 expression. These experiments demonstrated the stability of our ADCs in blood circulation and their effective accumulation at the tumor site. Overall, this project aims to demonstrate the feasibility and versatility of the E/K coiled coil affinity system for site-specific conjugation of the payload to the antibody backbone without complex/detrimental chemical modifications. The simplified manufacturing of ADCs using this “single-step conjugation” method shown here paves the way for developing new methods in production of ADCs with potentially enhanced pharmacokinetics, bioactivity, and stability.

Hydrogel, semi-interpenetrating polymer network, poly(2-hydroxyethyl methacrylate), diffusion