Une faible biodisponibilité et une haute toxicité des médicaments anticancéreux, ajoutées à une résistance aux médicaments, constituent des obstacles majeurs pour le traitement du cancer. L'application des nanotechnologies pour la délivrance de médicaments est largement pressentie pour aborder ces problèmes. Premièrement, nous avons utilisé un peptide CRGDK comme ligand spécifique pour les cellules cancéreuses que nous avons conjugué au DSPE-PEG2000 pour préparer les nanomicelles encapsulant le médicament anticancéreux doxorubicine. Le peptide CRGDK conjugué aux nanomicelles provoque la liaison aux récepteurs à NRP-1, conduisant à l'absorption cellulaire spécifique et à l’amélioration de l'activité anticancéreuse in vitro. Les résultats in vivo ont également confirmé que les nanomicelles décorées de CRGDK pourraient efficacement pénétrer et s’accumuler dans les tumeurs profondes.Deuxièmement, nous avons a été consacrée à la mise au point de nanomicelles originales utilisant un dendrimère amphiphile (AmDM). Ces nanomicelles sont capables d’encapsuler efficacement la doxorubicine. Les taux de remplissage de ces nanomicelles sont extrêmement élevés. Ces nanomicelles montrent une efficacité supérieure à la doxorubicine libre et ceci sur divers types de cellules cancéreuses. De plus, ce mécanisme de pénétration cellulaire permet à ces nanomicelles de contourner le relargage du médicament médié par la pompe à efflux glycoprotéine, et ainsi surmonter la résistance à la doxorubicine. L’étude sur souris montre également un excellent effet anticancéreux associé à une diminution des effets toxiques de la doxorubicine. / Poor tumor penetration and high toxicity of anticancer drugs, together with the developed drug resistance constitute challenging hurdles for cancer therapy. The application of nanotechnology for anticancer drug delivery is expected to address these issues and bring new hope for cancer treatment. In the first part of my PhD thesis, we used a new tumor-penetrating peptide, CRGDK, to conjugate onto the surface of doxorubicin encapsulated DSPE-PEG2000 nanomicelles. The CRGDK peptide conjugated on the nanomicelles triggered specific binding to Nrp-1 receptors, leading to enhanced cellular uptake and anticancer activity in vitro. The in vivo results further confirmed that the CRGDK-decorated nanomicelles could efficiently accumulate and penetrate into deeper tumors. In the second part of my PhD thesis, we established an original nanomicellar drug delivery system based on an amphiphilic dendrimer (AmDM), which could generate supramolecular micelles to effectively encapsulate the anticancer drug doxorubicin (DOX) with high drug loading capacity (> 40%), thanks to the unique dendritic structure creating large void space for drug accommodation. The resulting AmDM/DOX nanomicelles are able to specifically accumulate at tumor sites via EPR effect and penetrate deeper into tumor tissues thanks to their small size. Most importantly, these nanomicelles exhibit significantly improved anticancer activity and reduced systemic toxicity, and are very effective even towards drug resistant cancers by virtue of their macropinocytotic cell uptake mechanism and their ability to bypass cell drug efflux pumps.

La recherche actuelle sur le cancer se tourne vers des « stratégies ciblées » afin de développer de nouvelles méthodes diagnostiques plus sensibles et performantes, ainsi que de nouvelles thérapies plus efficaces mais aussi mieux tolérées. Dans ce contexte, nos travaux sont consacrés à la conception de vecteurs synthétiques ciblant un récepteur cellulaire surexprimé par les tumeurs, l'intégrine alphaVbeta3. Ce ciblage permet de concentrer les drogues ou les éléments de détection au niveau tumoral. L'outil utilisé pour la construction chimique de nos vecteurs est un châssis décapeptidique cyclique RAFT (Regioselectively Addressable Functionalized Template) présentant deux domaines indépendants permettant de séparer les deux fonctions du vecteur. Sur un domaine, la fonction de ciblage est assurée par la présentation multivalente de ligands -RGD- spécifiques du récepteur. L'autre domaine du vecteur supporte les molécules d'intérêt à vectoriser : agents thérapeutiques pour limiter la prolifération du foyer malin ou agents de détection pour l'imagerie médicale.

La compréhension des mécanismes moléculaires de différentes pathologies a permis la caractérisation de gènes et de protéines impliqués dans la pathogénèse et l'identification de cibles thérapeutiques intracellulaires. La nature hydrophobique de la membrane cellulaire empêche le passage des médicaments dans les cellules. Les Cell-Penetrating Peptides (CPP) ou domaines de transduction protéiques (PTD) sont des peptides qui permettent l'internalisation de macromolécules hydrophiles in cellulo et in vivo. Un nouveau peptide issu du facteur de transcription ZEBRA du virus Epstein-Barr, et qui possède des propriétés de transduction a été caractérisé récemment dans notre laboratoire. Des études par mutagénèse de délétion de la protéine ZEBRA ont permis d'identifier la région d'acides aminés (nommé ainsi MD) impliquée dans la pénétration cellulaire. Ce peptide traverse les membranes des cellules de mammifères par un mécanisme de translocation directe, même lorsqu'il est fusionné à des molécules telles que la protéine reportrice eGFP. Le mécanisme de pénétration directe représente un grand avantage pour les applications thérapeutiques: les molécules cargos peuvent être internalisées directement dans le cytoplasme cellulaire sans dégradation et sous une forme biologiquement active. L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés de pénétration cellulaire du peptide MD et d'évaluer ses applications thérapeutiques comme système de vectorisation des protéines. Ce travail est structuré en trois parties. La première partie porte sur l'étude de l'optimisation de la séquence peptidique MD par réduction de taille et l'évaluation du rôle de sa composition en acides aminés dans le processus de translocation à travers la membrane cellulaire. Cette étude a conduit à l'identification d'une séquence plus courte MD (MD11) possédant une efficacité et un mécanisme de translocation inchangés. La deuxième partie décrit une approche thérapeutique basée sur MD11 visant à la complémentation protéique d'un dysfonctionnement identifiée dans la plupart des cancers. Les cellules tumorales présentent des altérations dans la machinerie de traduction résultant dans une prolifération cellulaire incontrôlée. Parmi les différents facteurs intervenant dans la régulation de ce processus, le facteur eucaryote d'initiation 3 (eIF3) contribue à l'oncogenèse et au maintien de l'état cancéreux. Ce complexe est composé de 13 sous-unités, désignées eIF3 a-m. L'expression de certaines sous-unités est altérée dans plusieurs cancers, et en particulier la sous-unité f (eIF3f) est significativement diminuée dans le mélanome, les cancers du pancréas, de la vulve, du sein, de l'intestin et de l'ovaire. L'expression ectopique par transfection transitoire du gène eIF3f inhibe la synthèse protéique et induit l'apoptose dans le mélanome et dans les cellules cancéreuses pancréatiques. A partir de ces observations, nous avons développé une approche thérapeutique innovante pour le traitement des cancers dans lesquels la protéine manquante eIF3f est produite sous forme recombinante fusionnée à la séquence de MD11, et ensuite internalisée dans les cellules cibles tumorales. Ces résultats démontrent que le système de transfert de eIF3f basé sur MD11 représente une stratégie efficace pour supprimer la prolifération des cellules tumorales. La dernière partie de cette thèse explore la propriété de pénétration de MD11 dans les cellules de levure, et en particulier dans le champignon pathogène Candida albicans. Les résultats obtenus démontrent la polyvalence de MD11, qui fonctionne comme vecteur de protéines à activité biologique aussi bien dans la levure que dans les cellules de mammifères. Le potentiel de MD11 comme système de transport et de relargage des protéines a donc été établis, toutefois certaines améliorations en ce qui concerne la formulation des protéines de fusion et des études in vivo doivent être réalisées afin de valider son efficacité thérapeutique. / In recent years, the understanding of disease molecular mechanisms has led to the identification of genes and proteins that are altered in disease state and many therapeutic targets have been found located within cells. The protective and hydrophobic nature of plasma membrane prevents therapeutic drugs from entering cells. Cell-penetrating peptides (CPPs) or protein transduction domains (PTDs) have emerged as a group of non-invasive delivery vectors for various hydrophilic macromolecules, and several in vitro and in vivo applications as pharmaceutical carriers have been reported. A novel cell-penetrating peptide deriving from the Epstein-Barr virus ZEBRA transcription factor has been recently characterized in our laboratory. A reductionist study of full-length ZEBRA protein has allowed to identify the amino acid region (named as Minimal Domain, MD) implicated in cellular uptake. This peptide is able to cross the mammalian cell membranes via a direct translocation mechanism even when fused to cargo molecules such as eGFP reporter protein. The direct penetration mechanism represents a great advantage for therapeutic applications as the cargo molecules can be directly delivered into cells cytoplasm in a biological active form. The aim of this thesis is to explore the cell-penetrating properties of the MD peptide and evaluate its applications as therapeutic protein delivery system. This work is structured in three parts.The first part describes the study on the optimization of MD peptide sequence by size-reduction and the evaluation of its amino acid composition role in the translocation process across the cell membrane. This study has led to the identification of a shorter MD sequence (MD11) with unvaried mechanism of translocation. The second section describes a MD11-based therapeutic approach aiming at repair a dysfunction of the protein synthesis identified in most cancers. The regulation of the protein synthesis has a crucial role in governing the eukaryotic cell growth and subtle defects in the translational machinery can alter the cellular physiology and lead to cell malignancy. Among the different factors intervening in the regulation of this process, the eukaryotic initiation factor 3 (eIF3) contributes to oncogenesis and maintenance of the cancer state. This complex is composed of 13 subunits (designated eIF3 a-m). The expression of eIF3 subunits is altered in several cancers, and in particular the f subunit (eIF3f) is significantly down-regulated in pancreas, vulva, breast, melanoma, ovary and small intestine tumors. The eIF3f ectopic expression by transient gene transfection inhibits cellular protein synthesis and induces apoptosis in melanoma and pancreatic cancer cells. Starting from these observations, we developed an innovative therapeutic approach for cancer treatment in which the missing eIF3f protein is produced in vitro in fusion to MD11, and delivered to cells. These results have demonstrated that the MD11- based eIF3f transfer system may represent a powerful strategy to suppress the tumor-cell proliferation. The last part of this thesis explores the cell-penetrating property of MD11 in yeast cells, and in particular in the pathogenic fungus Candida albicans. The presented results demonstrate the versatility of MD11, functioning as vectors in both yeast and mammalian cells and as carrier for proteins with biological activity.The MD11 potential as protein delivery system is evident; however some improvements regarding the fusion protein formulation and in vivo studies should be realized to validate the effectiveness of its therapeutic application.

La recherche contre le cancer est aujourd’hui tournée vers les thérapies ciblées. Dans ce contexte, la nucléoline et la nucléophosmine sont fortement impliquées dans la croissance tumorale et l’angiogenèse associée et surexprimées dans les cellules tumorales et endothéliales activées. Elles apparaissent donc comme des cibles de choix. Le pseudopeptide HB-19 lie la nucléoline de surface, inhibe la croissance cellulaire de nombreuses lignées de cellules tumorales et induit la mort de ces cellules tumorales par apoptose. D’autre part, il inhibe, in vitro et in vivo, plusieurs étapes de l’angiogenèse tumorale. Ces deux activités mènent, in vivo, à l’inhibition de la croissance tumorale dans de nombreux modèles de croissance tumorale chez la souris. Dans le but d’améliorer les activités observées avec HB- 19, des pseudopeptides dérivés de ce dernier ont été synthétisés. Ainsi le NucAnt 6L (N6L) montre une activité 5 à 10 fois supérieure à celle de HB-19 selon les modèles. Son activité anti-métastatique a également été démontrée. L’étude du mécanisme d’action des pseudopeptides a permis d’identifier deux nouveaux récepteurs: les héparanes sulfates et la nucléophosmine. L’importance du TIMP-3 dans son activité anti-métastatique a également été soulignée. Enfin, aucune toxicité n’a été observée chez les souris aux doses employées et la synthèse de N6L peut être effectuée à l’échelle industrielle. N6L apparaît donc comme un composé prometteur pour une thérapie anti-cancéreuse / The cancer research is nowadays interested in targeting therapies. In this context, nucleolin and nucleophosmin are proteins highly involved in tumor growth and angiogenesis and over-expressed in activated endothelial and tumor cells. So, they appear as very promising targets. The pseudopeptide HB-19 binds to cell surface-expressed nucleolin, inhibits different tumor cell growth and induces cell death by apoptosis. Furthermore, it inhibits, in vitro and in vivo, several steps of angiogenesis. These two activities lead, in vivo, to the suppression of tumor growth and angiogenesis in several mice models. In order to improve the activities observed with HB-19, new compounds derived from HB-19 were synthesized. So, NucAnt 6L (N6L) show 5 to 10 fold stronger anti-tumoral activity than HB- 19 depending of the model. Study of their action mechanism allowed us to identify two new receptors: nucleophosmin and heparan sulfates. The importance of TIMP-3 in anti-metastatic activity has also been highlighted. Finally, no toxicity has been observed in mice treated with N6L which can easily industrially be synthesized. N6L appears to be a promising compound for anti-cancer therapies

TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) est une protéine anti-tumorale capable de se lier spécifiquement aux récepteurs agonistes de mort (TRAIL-Rl ou DR4 et TRAIL-R2 ou DR5) des cellules cancéreuses et d'induire leur apoptose sans être toxique pour les cellules saines. Grâce à leurs propriétés exceptionnelles, notamment leur biocompatibilité, les nanotubes de carbone et surtout les SWCNTSs sont utilisés dans un large éventail d'applications et sont considérés très prometteurs pour révolutionner la thérapie anticancéreuse en nanomédecine. Les SWCNTSs sont connus par leur diffusion rapide dans un milieu aqueux tel que le sang, ouvrant la voie de développement de nouveaux nanovecteurs de médicaments. L'objectif principal de nos travaux de thèse a consisté à fonctionnaliser TRAIL sur des SWCNTSs pour mimer sa fonction membranaire en induisant une forte agrégation des récepteurs et déclencher l'apoptose (mort cellulaire programmée). Dans un premier temps, la fonctionnalisation des SWCNTSs avec TRAIL a été réalisée: adsorption non covalente des molécules de PSE sur les nanotubes via 1t-1t stacking, puis greffage du TRAIL au complexe SWCNTS-PSE pour former le nanovecteur (nommé NPT). Ensuite, nous avons caractérisé notre NPT par différentes méthodes (RAMAN, XPS, IR, MET, STEM ... ) afin d'estimer le taux de greffage du TRAIL sur le NPT, qui était environ de 80%. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les paramètres thermodynamiques tels que le pH et la température du NPT en comparaison avec TRAIL seul par une approche chromatographique d'affinité (CHLP). Les résultats obtenus montrent une meilleure affinité du nanovecteur par rapport à TRAIL seul avec le récepteur TRAIL-R2 immobilisé sur la colonne chromatographique. En outre, des calculs de docking ont montré également que le complexe NPT couplé aux homotrimères de TRAIL est le plus stable une fois docké au récepteur TRAIL-R2. Ainsi, nous avons montré que les interactions de type Van der Waals et des liaisons hydrogène régissent l'association NPT-DR5 pour un pH supérieur à 7,4 (comme pour TRAIL seul). Enfin, notre nanovecteur s'est avéré plus efficace que TRAIL seul dans des différents tests menés in vitro sur des plusieurs types de lignées tumorales. Le NPT a permis une augmentation du potentiel pro­apoptotique de TRAIL avec un gain de fonction apoptotique estimé entre 10-20 fois par rapport à celui obtenu avec TRAIL seul. Dans ce travail, nous fournissons ainsi une preuve de concept que les nanovecteurs basés sur la fonctionnalisation du TRAIL avec les SWCNTSs peuvent être utiles pour les futurs traitements anti-cancéreux en nanomédecine. / TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) is a protein involved in immune anti-tumor surveillance. This cytokine is able to bound specifically to agonist death receptors (TRAIL-Rl or DR4 and TRAIL-R2 or DR5) of cancer cells, inducing apoptosis without being taxie to healthy cells. Thanks to their exceptional properties such as biocompatibility, carbon nanotubes and especially single-walled carbon nanotubes (SWCNTSs) are used in a wide range of applications and are considered to be very promising for cancer therapy in nanomedicine. The SWCNTSs are known to rapidly diffuse in aqueous media such as blood, opening the way for the development of new drug nanovectors or nanocarriers. The main purpose of this work is to functionalize SWCNTSs with TRAIL to mimic the membrane function of TRAIL by inducing a strong aggregation of death receptors and then induce apoptosis. First of all, the choice of SWCNTS functionalization with TRAIL was considered the first key in this thesis: non-covalent adsorption of PSE molecules on the nanotubes via 1t-1t stacking and TRAIL was next attached to a SWCNTS-PSE to form our nanovector, called NPT. Then, the NPT was characterized by various methods (Raman, XPS, IR, TEM, STEM, ... ) in order to estimate the grafted degree of TRAIL on the NPT surface (about 80%). Secondly, we investigated the ef:fects of the thermodynamic parameters such as pH and temperature on NPT versus TRAIL by a chromatographie approach (HPLC). The results showed a better affinity for NPT compared to TRAIL alone with the TRAIL-R2 receptor immobilized on the chromatographie colurnn. In addition, docking calculations have also shown that the NPT complex coupled to TRAIL homotrimers is the most stable when docked to DR5. Thus, we have demonstrated that Van der Waals interactions and hydrogen bonds govem the NPT-DR5 association for pH > 7.4 (as for TRAIL). Finally, our TRAIL-based SWCNTSs nanovectors (NPT) proved to be more efficient than TRAIL alone towards death receptors in triggering cancer cell killing in vitro. These NPTs increased the pro-apoptotic potential of TRAIL by nearly 10 to 20-fold in different Human tumor cell lines tested including colorectal, non-small cell lung cancer, or hepatocarcinomas. We provide in this work a proof of concept that nanovectors based on SWCNTS functionalization with TRAIL may be useful for future cancer treatments in nanomedicine.