Les systèmes théranostiques associant des propriétés thérapeutiques et des propriétés d'imagerie sont développés pour permettre le suivi de traitement in vivo. La stratégie que nous proposons dans cette thèse est de formuler des liposomes magnétiques thermosensibles chargés en principe actif pour traiter des tumeurs murines superficielles du côlon CT26. Ces nanovecteurs peuvent être accumulés dans les tumeurs par ciblage magnétique et le relargage du principe actif peut être déclenché par HIFU (Ultrasons Focalisés de Haute Intensité). Ces liposomes sont développés par co-encapsulation de nanoparticules de maghémite (?-Fe2O3) et de Combrétastatine A4 Phosphate (CA4P) dans des liposomes thermosensibles. La forte encapsulation des nanoparticules magnétiques dans les Liposomes Ultra-Magnétiques (LUM) permet à la fois le ciblage magnétique et leur suivi in vivo par IRM. Le chauffage par HIFU in vitro à la température de transition des membranes des LUM a permis une amélioration du relargage de la CA4P. La biodistribution des LUM in vivo a été évaluée par IRM dynamique de contraste de susceptibilité avec une résolution temporelle adaptée à la cinétique de capture des nanovecteurs, notamment par le foie. L'efficacité du ciblage magnétique a été démontrée grâce à une nouvelle méthode de traitement de l'histogramme des intensités IRM. Enfin, l'ajustement in vivo des séquences d'HIFU permet le relargage du principe actif. L'efficacité du traitement est ensuite suivie par IRM multiparamétrique anatomique, pondérée T2* de diffusion et de perfusion pour évaluer l'impact sur la fonctionnalité vasculaire et l'évolution tumorale, ainsi que par histologie. / Theranostic systems with imaging and therapeutic properties are developed to monitor treatments in vivo. The strategy we propose here is to design thermosensitive drug-loaded magnetic liposomes to treat superficial colon tumors CT26 on mice. These nanocarriers can be accumulated in the tumor by using a magnetic field gradient and the drug release can be triggered by a local heating induced by HIFU (High Intensity Focused Ultrasounds). They have been developed by co-encapsulation of magnetic nanoparticles and the antitumoral drug CA4P (Combretastatin A-4 Phosphate) in thermosensitive liposomes. The high loading of maghemite (γ-Fe2O3) magnetic nanoparticles enables both magnetic targeting and in vivo monitoring by MRI of this Ultra-Magnetic Liposomes (UML). In vitro HIFU heating at the UML membrane transition temperature improved the drug release. In vivo UML biodistribution was evaluated with dynamic susceptibility contrast imaging adjusted in time acquisition in MRI and the magnetic targeting efficiency was shown with a new MRI imaging processing. Adjustments of in vivo HIFU sequences to locally heat the tumor at the UML transition temperature allowed the triggering of drug release. Treatment efficiency was monitored by multiparametric diffusion, T2* weighted, anatomical and perfusion MRI and histology.

Dans les tumeurs solides, l'hypoxie est un mécanisme de résistance à la radiothérapie bien connu. Il a déjà été démontré que, lorsque les microbulles (MB) sont exposées à une impulsion ultrasonore (US), celles-ci peuvent induire une vasodilatation dans les tissus musculaires. De plus, une impulsion thérapeutique peut être délivrée localement dans la tumeur en dirigeant le faisceau US. Cette approche est donc proposée comme thérapie provasculaire ciblée, guidée par l’imagerie ultrasonore dans les tumeurs afin de réduire l'hypoxie avant la radiothérapie. Le contrôle de la vasodilatation est induit par la production d'oxyde nitrique (NO) par la voie de signalisation cellulaire du eNOS dans les cellules endothéliales. Il a été démontré que l'augmentation de l'ATP extracellulaire active la voie de signalisation du eNOS. Il a aussi été démontré que l’oscillation des MB sous l’effet des US libèrent de l'ATP lorsque le tissu musculaire est traité. Cependant, les effets des différentes conditions ultrasonores et de MB sur la libération d'ATP n'ont pas encore été étudiés. Nous émettons donc l'hypothèse qu'il existe des conditions permettant de maximiser l’activation des voies de signalisation purinergiques (ATP) et d'optimiser leur durée d’activation pour une réponse provasculaire optimale. Les motivations de ce projet sont de tester divers paramètres et d'étudier les interactions MB/cellules dans des conditions d'écoulement, qui sont généralement difficile à mettre en place lorsqu'on utilise des boîtes de Pétri. Pour quantifier plus facilement les voies de signalisation, nous avons créé des puces microfluidiques avec quatre canaux parallèles dans lesquels des cellules ont pu être cultivées. Avec quatre canaux traités lors d’une même impulsion ultrasonore, nous avons aussi augmenté le nombre de données à traiter et nous pouvons observer les effets de plusieurs impulsions lorsque les MB étaient dans un écoulement. En outre, la puce que nous avons développé est capable de donner une concentration en MB différente dans chaque canal afin de pouvoir tester quatre concentrations de MB différente dans des conditions d’écoulement. Les objectifs de ce projet de maîtrise sont donc les suivants : (1) concevoir la puce microfluidique ; (2) être capable de cultiver des cellules dans les canaux microfluidiques ; (3) créer des protocoles pour mesurer la libération d'ATP et la viabilité cellulaire après une impulsion ultrasonore ; (4) observer la capacité de la puce à donner différentes concentrations de MB dans chaque canaux en conditions d’écoulement. Lors de la conception de la puce microfluidique, nous avons créé un environnement dans lequel les quatre canaux de la puce ont des concentrations différentes de microbulles fluides. Ainsi, nous avons atteint les objectifs du projet. Nous avons réussi à introduire dans le canal microfluidique des cellules endothéliales de cordon ombilical humain (HUVEC) et une lignée cellulaire de cancer du sein (4T1). Les monocouches cellulaires créées par chacune des deux lignées cellulaires ont été traitées avec succès par une impulsion thérapeutique ultrasonore lors de l’injection de MB. Nos résultats montrent qu'une augmentation du nombre de cycles et de la pression, libère plus d'ATP et induisent une mortalité cellulaire plus importante. En outre, nous avons établi un lien entre la libération d'ATP et la mortalité cellulaire en comparant différentes impulsions thérapeutiques ultrasonore. Cette analyse a permis de dégager deux tendances. Avec des impulsions à faible énergie, la libération d'ATP est augmenté et on constate une très faible augmentation de la mort cellulaire ; inversement, avec des impulsions à plus forte énergie, la libération d'ATP et la mortalité cellulaire ont augmentés et on atteint un plateau. Ainsi, nos résultats confirment que différents mécanismes de libération d'ATP peuvent être déclenchés par les thérapies MB et US. / In solid tumors, hypoxia is a well-known resistance mechanism to radiation therapy. It was previously shown that microbubbles (MBs), when exposed to an ultrasound pulse (US) can cause vasodilation in muscle tissue. Conceptually, the therapeutic pulse can be localized on the tumor by steering the US beam. This approach is therefore proposed as a targeted image-guided provascular therapy in tumors to reduce hypoxia before radiotherapy. However, the effects of US and MB conditions on the relative increase in tumor perfusion remain largely unknown. Vascular control is managed by the production of nitric oxide (NO) through the eNOS pathway inside the endothelial cells. Increases in extracellular ATP have been shown to be a signaling event for the activation of this pathway. Fittingly, MB and US have been shown to release ATP when muscle tissue was treated. However, the effects of therapeutic US and MB parameters on the treatment have not yet been described. We, therefore, hypothesize that there are conditions that will maximize the purinergic signaling pathways (ATP) and optimize their time course for an optimal provascular response. The motivation for this project came from the desire to test various parameters and study MB/cell interactions in flowing conditions, which are typically limited when using petri dish setups. To quantify more easily the signaling pathways, we created microfluidic chips with four parallel cell coated channels. This chip allowed us to increase the throughput when using a single US exposure in static conditions and with the ability to support multiple US exposures with MB replenishment in flowing conditions. Also, the custom-made chip multiplexes the bubble concentration to obtain four channels with different flowing microbubble concentrations. The goals of this master’s project were thus: (1) to design the microfluidic chip; (2) to demonstrate the capacity for cell culture; (3) create protocols for measuring ATP and cell viability after therapeutic pulses; (4) to demonstrate repeatable flowing conditions with the multiplexed MB concentration. On the design of the microfluidic chip, we were successful at creating an environment where four of the four channels in the chip have different concentrations of flowing microbubbles. Thus, fulfilling the project's goals. We have succeeded in seeding both Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and a breast cancer cell line (4T1) into the microfluidic channel. The cell monolayers created by both cell lines were successfully treated with an US and MB therapeutic pulse. Our results support that an increase in both, cycles and pressure, release more ATP and cause more cell death. Further, we linked ATP release to cell death by comparing different therapeutic pulses. From this analysis, two trends appeared. With lower energy pulses, ATP release increased sharply with a very small increase in cell death; conversely, with higher energy pulses, ATP release continued to increase with cell death but reached a plateau. Thus, our results support that different mechanisms of ATP release can likely be triggered by MB and US therapy.

L'objectif de cette étude était de préparer et de caractériser les particules submicroniques multifonctionnelles utilisables simultanément pour le diagnostic et le traitement de plusieurs maladies mortelles telles que le cancer. Pour ce faire, une étude systématique a été réalisée afin de comprendre les mécanismes impliqués et d'optimiser les paramètres du procédé de double émulsion-évaporation de solvant pour la préparation de ces particules. Pour l’imagerie in vitro, des nanoparticules polymériques fluorescentes (FluoSpheres®) ont été encapsulées dans une matrice polycaprolactone dégradable en utilisant le procédé de l’émulsion double-évaporation de solvant. Pour l’imagerie invivo, des nanoparticules d'or colloïdal ont été préparées et encapsulées via le même procédé et parfaitement caractérisées. Enfin, pour application theranostic, les nanoparticules d'or (comme agent de contraste) et un actif moléculaire (hydrophile Nefopam et hydrophobe benzoate de benzyle) ont été encapsulés simultanément dans des particules de polycaprolactone. Ces particules multifonctionnelles ont été caractérisées et évaluées in vitro comme model de pénétration cutané / The objective of this study was to prepare and characterize multifunctional submicron particles that can be used for diagnosis and therapy of several fatal diseases including cancer (i.e theranostic). For this purpose, a systematic study was performed in order to optimize the process parameters for preparation of polymeric particle that can be used as a platform for effective delivery of drugs and imaging labels. The imaging agent (FluoSpheres®) was encapsulated via double emulsion solvent evaporation technique to be used fluorescent contrast agent and their in vitro evaluation was performed. Then, gold nanoparticles were prepared by using NaBH4 reduction method, characterized and encapsulated by polycaprolactone polymer for in vitro applications. Finally, the gold nanoparticle were loaded into polycaprolactone particle along with a hydrophilic drug (Nefopam) and a hydrophobic drug (benzyl benzoate) simultaneously. The prepared particles were then characterized physicochemically and in vitro skin penetration study was performed

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