Le cancer est une des premières causes de mortalité dans le monde. Avec la chirurgie, la radiothérapie est une des thérapies curatrices essentielles en cancérologie. Elle consiste à utiliser les propriétés des rayonnements ionisants pour induire la mort des cellules cancéreuses. Néanmoins, du fait de la radiorésistance d’un certain nombre de tumeurs, nécessitant des doses délivrées intolérables pour les tissus sains environnants, de nombreux développements sont en cours pour limiter la dose délivrée et augmenter la radiosensibilité des tumeurs actuellement radio-résistantes. Parmi les stratégies envisagées, l’utilisation de nanoparticules théranostiques inorganiques ouvre des perspectives très intéressantes car il deviendrait possible de faire parvenir en quantité suffisante ces nanoparticules dans une tumeur après injection intraveineuse. Au sein du Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, les physico-chimistes ont développé des nanoparticules inorganiques d’un diamètre inférieur à 5 nm, permettant leur injection intraveineuse et leur élimination urinaire. Notre travail de thèse a porté sur la validation préclinique de deux types de nanoparticules (1- à coeur d’oxyde de gadolinium ; 2- nanoparticules d’or) en tant qu’agents radiosensibilisants permettant d’augmenter l’effet de la radiothérapie externe par rayons X sur divers types de tumeurs radio-résistantes : le gliosarcome, le carcinome épidermoïde du larynx et l’ostéosarcome. Les résultats obtenus aussi bien pour les nanoparticules d’oxyde de gadolinium que pour les nanoparticules d’or sont très prometteurs et laissent entrevoir un potentiel d’application en tant qu’agents de thérapie guidée par l’imagerie. / Cancer is a leading cause of death worldwide. With surgery, radiation therapy is an essential to cure tumors. Radiotherapy consists in using the properties of ionizing radiations to induce cancer cell death. However, because of the radioresistance of some tumors, requiring unacceptable dose delivered to surrounding healthy tissue, many developments are underway to limit the dose and increase the radiosensitivity of radio-resistant tumors. Among the proposed strategies, the use of inorganic theranostic nanoparticles opens very interesting perspectives since it should be possible to target sufficient nanoparticles into the tumor of interest following an intravenous injection. In the Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, chemists have developed inorganic nanoparticles with diameters below 5 nm, allowing their intravenous injection and urinary excretion. Our thesis has focused on the preclinical validation of two types of nanoparticles (1- based on gadolinium oxide, 2- based on gold) as radiosensitizing agents to increase the effect of external beam X-ray radiation on various types of radioresistant tumors : gliosarcoma, squamous cell carcinoma of the larynx and osteosarcoma. The results for both gadolinium oxide nanoparticles and gold nanoparticles are very promising and open the way for potential applications for imaging-guided therapy.

Les nanoparticules de silice sont très largement étudiées pour les applications biomédicales. Elles permettent une facilité et une flexibilité de la synthèse des particules et une bio-toxicité limitée. Cette thèse a mené une grande diversité de résultats impliquant des nanomatériaux de silice. Premièrement, les propriétés physicochimiques et les propriétés de biodégradation de trois types de nanoparticules de silice structurées ont été étudiées dans un tampon, un milieu de culture et au contact de fibroblastes cutanés humains suggérant que les nanoparticules de silice doivent être principalement considérées comme dégradées par hydrolyse, et non biodégradé. Ensuite, des nanoparticules de silice multifonctionnelles constituées de nanoparticules de silice creuses et de nanoparticules de MnO2 ont été synthétisées. Ainsi le contrôle de la libération du médicament et la performance de l’imagerie de ces nanoplates ont été étudiées à partir de modèles 2D à 3D. Cette approche pourrait être utilisée pour une évaluation rapide de la bio-fonctionnalité des nanoparticules avant de mettre en place des expériences in vivo. En outre, un nouveau nanocomposite 3D à base de collagène utilisant des tiges de silice a été étudié et les relations entre la composition composite, la structure et les propriétés mécaniques, mettant en évidence le rôle clé des interactions collagène-silice. L'influence de ces paramètres sur l'adhésion et la prolifération des cellules fibroblastiques a également été étudiée. De plus, nous avons préparé et utilisé des nanobatonnêts de silice magnétiques pour contrôler l’orientation des particules dans le réseau de collagène grâce à un champ magnétique externe. Tous les résultats apportent de nouvelles connaissances sur la préparation et les propriétés des bionanocomposites et ouvrent la voie à des hydrogels multifonctionnels. / Silica nanoparticles, thanks to the great easy and adaptability of particle synthesis and limited biotoxicity, is very widely studied for biomedical applications. This thesis conducted a large diversity of investigations involving silica nanomaterials. Firstly, the physicochemical properties and biodegradation properties of three types of structured silica nanoparticles were studied in a buffer, a culture medium and in contact with human dermal fibroblasts that suggest that, under these conditions, the silica nanoparticles must be mainly considered as degraded by hydrolysis and not biodegraded. Then, multifunctional silica nanoparticles which are consist of hollow silica nanoparticles and MnO2 nanosheets were synthesized. And the control drug release and imaging performance of this nanoplatforms were studied from 2D to 3D models. This approach could be used for a rapid assessment of the biofunctionality of nanoparticles before setting up in vivo experiments. Furthermore, a new 3D collagen-based nanocomposites using silica rods were studied and the relationships between the composite composition, structure and mechanical properties, emphasizing the key role of collagen-silica interactions. The influence of these parameters on the adhesion and proliferation of fibroblast cells was also investigated. In addition, we prepared and used magnetic silica nanorods to control particle orientation within the collagen network thanks to an external magnetic field. All the results bring new insights on the preparation and properties of bionanocomposites and open the route to multifunctional hydrogels.

Les possibilités offertes par les applications en médecine des nanoparticules sont l’un des facteurs essentiels des progrès médicaux attendus pour ce XXIème siècle. Ainsi, le domaine de l’imagerie médicale est aussi touché par cette évolution technologique. Ce présent travail a consisté à élaborer des sondes théranostiques à base de nanoparticules d’oxydes de fer (SPIO) et de nanotubes de titanate (TiONts) pour l’imagerie multimodale (magnétique/nucléaire ou magnétique/optique) et possédant aussi un effet thérapeutique (hyperthermie/PDT ou radiosensibilisation/PDT).Les nanotubes de titanate de cette étude, d’une longueur moyenne d’environ 150 nm, ont été obtenus par synthèse hydrothermale selon la méthode de Kasuga. Ces nanotubes présentent un diamètre extérieur de l’ordre de 10 nm et une cavité interne de 4 nm. Les nanoparticules d’oxydes de fer ont quant à elles été synthétisées par méthode de co-précipitation "Massart". Ces nanoparticules d’oxydes de fer de structure spinelle possèdent des cristallites de 9 nm de diamètre et présentent un comportement superparamagnétique mis en évidence par des mesures FC/ZFC. Pour préparer ces nanoparticules à recevoir des molécules d’intérêt biologique, deux ligands possédant des fonctions organiques plus réactives (APTES : NH2 et PHA : COOH) ont été greffés à la surface de ces deux types de nanoparticules. La présence de l'un ou l'autre a été mise en évidence par différentes techniques d’analyses (XPS, IR, zêtamétrie). La quantité de molécules greffées a été déterminé par ATG, elle est dans tous les cas d’environ 5 molécules/nm2. Dans un premier temps, les nanotubes de titanate ont été fonctionnalisés par un agent macrocyclique (0,2 DOTA/nm2). Après radiomarquage à l’indium 111, les TiONts – DOTA[In] ont été injectés dans des souris Swiss mâle nude pour connaître leur biodistribution en imagerie SPECT/CT. Les images obtenues et le comptage de la radioactivité dans chaque organe ont montré qu’au bout d’une heure, les nanotubes se situent dans les poumons et dans l’urine. Ensuite, les nanotubes sont progressivement éliminés pour n’être plus présents que dans les urines à 24 heures. Ces mêmes agents chélatants ont été greffés à la surface des SPIO pour la création de sondes multimodales IRM/SPECT ou IRM/TEP. En parallèle de cette étude, un fluorophore (phtalocyanine de zinc, ZnPc) a été greffé à la surface des nanoparticules. Le nanohybride SPIO – Pc synthétisé possède les propriétés requises pour être une sonde utilisable en imagerie bimodale IRM/IO grâce à sa longueur d’émission vers 670 nm et sa relaxivité de l’ordre de 70 L.mmolFe3O4-1.s-1. De plus, les nanohybrides ont été fonctionnalisés par du PEG pour les rendre furtifs, biocompatibles et stables. La toxicité de certains de ces nanohybrides a été évaluée avec le modèle in vivo zebrafish. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de toxicité, n’ont pas perturbé l’éclosion et n’ont pas provoqué de malformations sur les larves des zebrafish. / The new implementations of nanoparticles in the medical field are one of the essential factors of the medical progress expected at the beginning of this XXIst century. Thus, the domain of the medical imaging is also affected by this technological evolution. This work consisted in developing theranostic probes with iron oxides nanoparticles (SPIO) and titanate nanotubes (TiONts) for multimodal imaging (magnetic/nuclear or magnetic/optical) and also possessing a therapeutic effect (hyperthermia/PDT or radiosensitization/PDT).The titanate nanotubes of this study have an average length of about 150 nm and were obtained by Kasuga's hydrothermal synthesis. These nanotubes present an outside diameter of about 10 nm and an intern cavity of 4 nm. On the other hand, iron oxides nanoparticles were synthesized by soft chemistry ("Massart" method). These spinel-like iron oxides nanoparticles have a crystallite size of 9 nm in diameter and exhibit a superparamagnetic behavior which was highlighted by FC / ZFC measurements.To get these nanoparticles ready to receive molecules of biological interest, two linkers of more reactive organic functions (APTES: NH2 or PHA: COOH) were grafted to the surface of these two types of nanoparticles. Their presence was shown by different techniques (XPS, IR, UV-vis). The amount of grafted linkers was determined by TGA and in all cases this amount is close to 5 molecules/nm2. First, titanate nanotubes were coated by a macrocyclic chelating agent (0.2 DOTA/nm2). After radiolabelling with indium 111, the TiONts – DOTA[In] nanohybrids were injected in Swiss nude mice and observed by SPECT/CT imaging to characterize their biodistribution. The SPECT/CT images and the radioactivity measured in each organ showed that after one hour, nanotubes are located in lungs and in urine. Then, the nanotubes are gradually eliminated and are only found in urines after 24 hours. The same macrocyclic agent was grafted to the SPIO’s surface for the creation of multimodal probes MRI/SPECT or MRI/PET. Alongside this study, a fluorophore (Zinc phthalocyanine) was also grafted to the surface of nanoparticles. The synthesized SPIO – Pc nanohybrid has the required properties of bimodal imaging MRI/OI probe thanks to his emission wavelength around 670 nm and its relaxivity is about 70 L.mmolFe3O4-1.s-1. Furthermore, nanohybrids were coated by PEG to make them stealth, biocompatible and stable.In this study, the toxicity of most nanohybrids was evaluated by the in vivo zebrafish model. The studied nanohybrids did not present any toxicity, hatching disruption or malformation on zebrafish larvae.