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Stroke is the 5th leading cause of death and the leading cause of disability in the United States, but there are only two available therapies, tissue plasminogen activator and endovascular thrombectomy. As both therapies focus on removal of the clot, the subsequent pathologic processes, i.e. inflammation, cerebrovascular breakdown, ATP depletion, etc. are left untreated, contributing to worsened patient outcome. Many clinical trials have unsuccessfully attempted to address these mechanisms. The blood-brain barrier (BBB), a system of non-fenestrated endothelial cells, extracellular matrix, and astrocytic endfeet, is significantly impacted after ischemic stroke in its role of preventing the free movement of proteins from the blood into the brain. In fact, BBB dysfunction is viewed as one of the major facilitators of damage following ischemic stroke, leading to increased infarct volumes and worsened patient outcomes. Interestingly, a family of endothelial integrins, the b1 integrins, have been shown to regulate tight junction proteins preventing the free movement of molecules. When expression of the tight junctions are decreased, this results in increased BBB permeability. To test this concept, our laboratory has previously shown the knockout of the particular β1 integrin, α5β1, is neuroprotective following ischemic stroke through BBB stabilization. To determine if therapeutically targeting integrin a5b1 was feasible, we first determined if brain integrin a5b1 expression increases after experimental mouse ischemic stroke model, specifically tandem/transient common carotid artery/middle cerebral artery occlusion. We found that integrin a5b1 does increase acutely, by post-stroke day (PSD)2, and continued in an exponential fashion through PSD4. Next, we determined if integrin a5b1 was therapeutically accessible by systemic treatment (i.e. intraperitoneal or intravenous) by being located on the inside (luminal surface) of vasculature. We found that location of integrin a5b1 was dependent on the area relative to the stroke injury. The core, or area of direct impact, demonstrated expression of integrin a5b1 on the outside vasculature (abluminal surface), while per-infarct expression was localized to the lumen. Lastly, to determine the activity of integrin a5b1 following ischemic stroke, we showed that the potential ligands (binding partners), plasma fibronectin, fibrinogen, and amyloid-b, do not bind integrin a5b1 after ischemic stroke. Next, we determined the therapeutic potential of targeting integrin a5b1 with the small peptide, ATN-161. ATN-161 has undergone clinical trials in solid tumors, with limited side effects reported. First, we determined that intraperitoneal (IP) injection of ATN-161 was safe after ischemic stroke, showing no changes in heart rate, pulse distention (blood pressure), or body temperature. Next, we found that IP administration of ATN-161 after experimental ischemic stroke reduced infarct volumes, edema, and functional deficit. Furthermore, these results were due to reduction of BBB permeability and anti-inflammatory effects. Interestingly, ATN-161 reduced cytokine production, prevented leukocyte infiltration, and leukocyte recruitment. Collectively, these results suggest that targeting integrin a5b1 with ATN-161 is 1) feasible, 2) safe and 3) effective, suggesting that ATN-161 may be a novel therapeutic treatment for ischemic stroke.

Le développement de thérapies ciblées est un enjeu majeur en santé et l’essor des nanovecteurs permet de répondre à ces besoins cliniques. Le premier axe de cette thèse est consacré à l’étude du potentiel thérapeutique de nanoparticules multifonctionnelles pour l’imagerie médicale, la thérapie photothermique et la délivrance de drogue pour le traitement du cancer. Le deuxième axe de recherche s’oriente vers le ciblage thérapeutique actif. L’entreprise NanoMedSyn a pour objectif de développer un ciblage actif du récepteur du mannose 6-phosphate, permettant un meilleur adressage des médicaments et des traitements plus efficaces. Ce type de ciblage peut avoir des retombées multiples pour la thérapie anticancéreuse mais également pour la thérapie des maladies lysosomales qui sont des maladies génétiques rares. NanoMedSyn développe des dérivés synthétiques de glycovecteurs innovants, appelés AMFA, qu’elle exploite en exclusivité. Les AMFA ont une bonne affinité pour le récepteur du mannose 6-phosphate et ont été greffés sur des nanoparticules multifonctionnelles dans le but d’améliorer l’adressage et la thérapie photodynamique biphotonique d’un cancer pédiatrique : le rhabdomyosarcome ; et sur des enzymes lysosomales pour le traitement de maladies lysosomales telle que la maladie de Pompe. / The development of targeted therapies is a major health issue and the rise of nanovectors makes it possible to meet these clinical needs. The first approach of this thesis is dedicated to the study of the therapeutic potential of multifunctional nanoparticles for medical imaging, photothermal therapy and drug delivery in cancer treatment. The second line of research focuses on active therapeutic targeting. The NanoMedSyn company aims to develop an active targeting of the mannose 6-phosphate receptor, allowing a better addressing of drugs and more effective treatments. This type of targeting may have multiple benefits for cancer therapy but also for the treatment of the lysosomal diseases which are rare genetic diseases. NanoMedSyn develops innovative synthetic derivatives of glycovectors, called AMFA, which it exploits exclusively. AMFA have a good affinity for the mannose 6-phosphate receptor and have been grafted on multifunctional nanoparticles in order to improve addressing and two-photon photodynamic therapy of a pediatric cancer: the rhabdomyosarcoma; and on lysosomal enzymes for the lysosomal diseases treatment such as for Pompe disease.

On constate que la majorité des essais de phase III, conduits après des essais de phase II pourtant prometteurs, sont “négatifs”, la nouvelle thérapeutique se révélant finalement trop toxique ou insuffisamment efficace. L’hétérogénéité de la population participant aux différentes phases de développement est une explication. Elle induirait une estimation erronée de la toxicité et, par dilution de l’effet traitement, conduirait à arrêter l’évaluation thérapeutique alors que peut être un sous-ensemble de cette population, définie à partir d’une caractéristique particulière, pourrait en bénéficier.Dans cette thèse, nous proposons dans un premier temps une réflexion sur les aspects méthodologiques des essais de phase II qui permettraient d’améliorer l’identification précoce des thérapeutiques toxiques et des populations les plus sensibles et donc de ne planifier des essais de phase III que sur des populations encore mieux ciblées. Dans un second temps, nous présentons une nouvelle méthodologie d’essai de phase II que nous avons développée pour prendre en compte l’hétérogénéité de la population et son intérêt en pratique clinique courante. Avec cette méthode, qui est une extension du plan de Fleming à deux étapes, le développement des médicaments est moins fréquemment arrêté pour la population entière et moins de patients non sensibles à la nouvelle thérapeutique sont exposés à des molécules potentiellement toxiques, durant l’étape 2 de l’essai de phase II ou plus tard lors de l’essai de phase III. / The majority of phase III clinical trials, despite being conducted after promising phase II trials, are "negative," with the new therapy determined in the end to be too toxic or insufficiently efficacious. One explanation is the heterogeneity of the populations participating in various phases of development, which results in an erroneous estimation of the toxicity and thus a diluted therapeutic effect. This may lead to termination of evaluation of a therapy, even if a sub-population, defined by a particular characteristic, may stand to benefit from it. In this thesis, we propose a close examination of the methodological aspects of phase II trials which would permit improved early identification of toxic therapies and of responsive populations, so that phase III trials may be designed only with the best targeted populations in mind. We present as well a new phase II clinical trial methodology which we have developed to take into account trial population heterogeneity and its importance in current clinical practice. With this method, drug development is less often stopped for the entire phase II population and less non sensitive patients are exposed to toxic drugs in the second part of phase II trials, and next in phase III trials.

Le cancer de la prostate (CaP) représente la deuxième cause de mortalité par cancer. La suppression d’androgène est la thérapie de référence, du fait de l’androgéno-dépendance de ce cancer. Toutefois, la maladie progresse quand même vers un stade androgéno-indépendant 2 à 3 ans après le début du traitement. Pour améliorer les thérapies du CaP, notre stratégie consiste à cibler les gènes activés par la privation d’androgènes. Récemment, nous avons identifié TCTP (Translationally controlled tumor protein) comme étant hautement surexprimé après privation d’androgènes. Nous avons développé et breveté un oligonucléotide antisense (ASO) ciblant TCTP. Durant ma thèse j’ai développé un ASO de 3ème génération par ajout d’une séquence lipidique TCTP-LASO pour améliorer la stabilité, la biodisponibilité et la délivrance de l’ASO TCTP. Ce LASO est capable de s’autonanovectoriser et permet une internalisation de l’ASO sans agent transfectant. J’ai montré dans les modèles animaux que cela conduit à une meilleure efficacité thérapeutique sans engendrer de toxicité. De plus cette séquence peut servir de nanovecteur pour encapsuler la chimiothérapie. / Prostate cancer (PC) represents one of the most common cancers in industrialized countries. Androgen ablation is used as first-line therapy in patients with advanced disease. While most patients initially respond to this hormonal therapy, they eventually become unresponsive and recur within 2 years as castration-resistant prostate cancer (CRPC). Our strategy to improve therapies involves targeting genes that are activated by androgen withdrawal, to prevent the emergence of CRCP. We have identified the Translationnaly controlled Tumor protein (TCTP) as highly over-expressed in CRPC. We developed and patented an oligonucleotide antisense (ASO) targeting TCTP. During my PhD I developed a 3rd generation ASO (TCTP-LASO) by using a lipid-conjugated oligonucleotides modification in order to improve stability, biodisponibility and delivery of the ASO. This LASO can autonanovectorize, which permits cellular uptake without transfecting agents. This autonanovectorization leads to enhanced tumor regression in vivo without toxicity in animal models. Finally, LASO can be used as a nanovector, in which chemotherapy can be encapsulated to promote its delivery.

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En dépit des progrès réalisés ces dernières décennies, le cancer demeure un problème majeur de santé publique. La plupart des chimiothérapies conventionnelles exploitent les propriétés cytotoxiques d'agents non sélectifs qui affectent les cellules à division rapide, qu'elles soient cancéreuses ou non, ce qui peut aboutir à une toxicité importante et de sévères effets secondaires. Pour pallier à ce problème, l'utilisation de ligands de ciblage pour délivrer spécifiquement l'agent cytotoxique aux cellules malignes tout en épargnant les tissus sains est une approche prometteuse. Parmi les différents ligands exploités, l'acide folique fait l'objet d'une attention particulière due à la surexpression préférentielle de son récepteur par de nombreux types de cellules cancéreuses. Cependant, les essais cliniques menés sur des molécules reposant sur cette stratégie indiquent que leur efficacité dépend surtout du niveau d'expression du récepteur ciblé. Dans ce contexte, j'ai développé deux approches permettant d'augmenter l'efficacité du ciblage des récepteurs à l'acide folique. D'une part, j'ai réalisé la validation biologique de nouveaux conjugués conçus pour délivrer conjointement deux agents anticancéreux. D'autre part, j'ai mis au point un traitement capable d'augmenter, in vitro et in vivo, l'expression des récepteurs à l'acide folique à la surface des cellules tumorales. Cela aboutit à l'internalisation d'une plus grande quantité de vecteur, qui se traduit in vivo, par une inhibition plus importante de la croissance tumorale, sans toxicité sur les cellules saines. / Despite significant advances obtained during the last decades, cancer is still lack of effective treatments. Indeed, most conventional chemotherapies relies on non-selective agents that kill indifferently healthy and tumor cells with high rate of division. This can lead to elevated toxicity and severe side effects. In this context, therapeutic approaches that exploit targeting ligands to selectively deliver cytotoxic drugs to malignant cells are currently promising. Among these different ligands, folate conjugates are subject to special attention due to the preferential overexpression of the folate receptor on several human cancer cell types that can mediate specific attachment and internalization of folate-derived imaging and therapeutic agents. However, clinical trials carried on such molecules revealed that their efficiency is mainly governed by folate receptor expression level on tumor cells. In this respect, I developed two approaches to increase efficacy of folate receptor targeting. On one hand, I realized biological validation of new targeting devices designed for the simultaneous delivery of two therapeutic agents. On the other hand, I developed a treatment to enhance in vitro and in vivo folate receptor expression at the surface of malignant cells. This treatment allows the internalization of a larger amount of a folic acid conjugate, previously synthesized and validated in our laboratory. That results in a drastically improvement of the in vivo tumor growth inhibition, without toxicity toward healthy cells.

Ce projet vise à développer et à analyser de nouveaux nanovecteurs pour des applications biomédicales. Nous travaillons en étroite collaboration avec des chimistes pour mettre au point des nanoparticules hautement efficaces (principalement des nanoparticules de silicium poreux - pSiNPs). Mon travail consiste à évaluer la toxicité des nano-objets développés et à établir leur potentiel en terme de thérapie photodynamique et d'imagerie. Les nanovecteurs sont recouverts de sucres reconnus par les lectines surexprimées par les cellules cancéreuses. Cette interaction permet le ciblage spécifique des cellules cancéreuses par les nanovecteurs. Lors des études in vitro, nous sélectionnerons les nano-objets les plus prometteurs pour réaliser des études préliminaires in vivo. / The focus of this project concerns the development and the analysis of new nanocarriers for biomedical applications. We work in collaboration with chemists to design efficient nanoparticles (mainly porous silicon nanoparticles - pSiNPs). Then, I evaluate their cytotoxic activity and their photodynamic therapeutic effect as well as their imaging potential. Nanovectors are coated with sugar recognized by lectins overexpressed on the surface of cancer cells. This interaction permits the specific targeting of cancer cells by nanovectors synthesized. During the study in vitro, we will select the most promising nanotools for preliminary studies in vivo.

Les traitements existants des métastases hépatiques du cancer colorectal montrent une efficacité insuffisante. Le projet GR5FU visait à améliorer cette efficacité et consistait à délivrer le 5-fluorouracile (5FU) dans le foie via son encapsulation dans des globules rouges (GR). Dans ce contexte, la modélisation visait à prédire la quantité de 5FU à encapsuler dans les GR pour atteindre une efficacité équivalente à celle du 5FU standard. Dans cette thèse, nous avons construit et implémenté un modèle mathématique multi-échelle qui relie l’injection du 5FU à son efficacité sur la croissance tumorale en intégrant sa pharmacocinétique et son mécanisme d’action intracellulaire. Des simulations de population de ce modèle, s’appuyant sur des paramètres de la littérature, nous ont permis (i) de reproduire des résultats cliniques montrant le pouvoir prédictif de l’enzyme Thymidylate Synthase (TS) et (ii) d’identifier deux prédicteurs potentiels de la réponse au 5FU à l’échelle d’une population virtuelle, en complément du niveau de TS : la vitesse de croissance tumorale et le métabolisme intracellulaire des pyrimidines. Nous avons également analysé, à l’aide de modèles à effets mixtes, (i) la croissance in vivo de la tumeur intra-hépatique VX2 sans traitement, tenant lieu de modèle animal de métastase hépatique, et (ii) la distribution plasmatique et hépatique du 5FU chez l’animal. Cette modélisation statistique nous a permis d’identifier les modèles décrivant des données expérimentales, d’estimer les paramètres de ces modèles et leur variabilité, et de générer une meilleure connaissance de la croissance de la tumeur VX2 et de la pharmacocinétique animale du 5FU, en particulier hépatique. Dans cette thèse, nous avons illustré comment l’intégration du métabolisme d’un médicament et de son mécanisme d’action dans un modèle global et la simulation de ce modèle à l’échelle d’une population virtuelle, constituent une approche prometteuse pour optimiser le développement d’hypothèses thérapeutiques innovantes en collaboration avec des expérimentateurs. / Existing treatments for liver metastases of colorectal cancer show a lack of efficacy. In order to improve the prognosis of patients, the GR5FU project has been implemented. It consisted in delivering the drug 5-fluorouracil (5FU) in the liver via its encapsulation in red blood cells (RBC) to increase its efficacy / toxicity ratio. In this context, the modeling aimed at predicting the amount of 5FU to encapsulate in RBC to achieve an efficacy equivalent to standard 5FU. In this thesis, we have created and implemented a multiscale mathematical model that links the injection of 5FU to its efficacy on tumor growth by integrating its pharmacokinetics and mechanism of intracellular action. Population simulations of this model, using parameters from the literature, allowed us (i) to reproduce clinical results showing the predictive power of TS enzyme level and (ii) to identify two potential predictors of response to 5FU at the level of a population of virtual patients, in addition to TS level. We also analyzed, using mixed effects models, (i) the in vivo growth of intrahepatic VX2 tumor without treatment, serving as an animal model of liver metastasis, and (ii) the distribution of 5FU in the animal’s organism. This statistical modelization enabled us to identify the models describing experimental data, to estimate the parameters of these models and their variability, and generate a better knowledge of VX2 tumor growth and animal 5FU pharmacokinetics. In this thesis, we illustrated how the integration of drug metabolism and its mechanism of action in a global model and the simulation of this model at the scale of a virtual population, form a promising approach to optimize the development of innovative therapeutic hypotheses in collaboration with experimentalists.

L’angiogénèse tumorale correspond à la formation de nouveaux vaisseaux sanguins afin d’alimenter la tumeur et d’amplifier son développement. Cette étape constitue un facteur pronostique défavorable pour les patients et son inhibition représente un fort intérêt thérapeutique. Parmi les acteurs participant à l’angiogénèse tumorale, on retrouve l’enzyme de dégradation héparanase au sein du microenvironnement tumoral de nombreux cancers. Ces travaux de thèse ont pour objectif de développer des inhibiteurs spécifiques de l’héparanase à partir de polysaccharides sulfatés pour le traitement de l’angiogénèse tumorale. La première partie de ces travaux a été consacrée à l’élaboration de polysaccharides sulfatés de bas poids moléculaires issus de sources animales (Héparine, Chrondroïtine sulfate), algales (Fucoïdanes, Carraghénane-λ-ι-κ) ou bactérienne (Dextran sulfate). Nous avons utilisé pour cela un procédé de dépolymérisation radicalaire assisté par ultrasons, développé en 2013 au laboratoire, que nous avons associé à un procédé de modification chimique appelé glycol-split. Les composés produits ont été évalués pour leurs activités d’inhibition de l’héparanase et de la coagulation sanguine. Ce criblage a notamment permis l’identification d’un dérivé de bas poids moléculaire issu de Carraghénane-λ possédant une forte inhibition de l’héparanase pour une faible inhibition de la coagulation. La deuxième partie de ces travaux s’est ensuite concentrée sur l’évaluation du potentiel anti-angiogénique des inhibiteurs de l’héparanase. Dans ce but, nous avons dans un premier temps évalué le rôle de l’hypoxie et/ou le manque de nutriments sur la production d’héparanase par des cellules de cancers mammaires. Dans ces conditions de stress, nous avons observé que la lignée MCF-7 excrétait une forte quantité d’héparanase. L’analyse en Matrigel 3D du réseau angiogénique formé par des cellules microvasculaires HskMEC, en présence du surnageant de MCF-7 riche en héparanase, a montré une forte stimulation de l’angiogénèse. Les mêmes tests réalisés en présence des inhibiteurs de l’héparanase ont montré une inhibition de l’angiogénèse qui semblait corrélée avec l’inhibition de l’héparanase. / Tumor angiogenesis is defined by the spouting of new blood vessels from preexisting ones in order to sustain and amplify the tumor development. This crucial step is associated with poor prognosis for patients and it’s inhibition is therefore considered as a primising way to treat cancer. Among several actors participating in the angiogenesis process, the degradative enzyme heparanase is active in the tumor microenvironment of many cancers. The work presented in this thesis aim to develop specific heparanase inhibitors using sulfated polysaccharides for the treatment of tumor angiogenesis. The first part of this work is dedicated to the conception of low molecular weights sulfated polysaccharides obtainable from animal source (Héparine, Chondroïtine sulfate), algal source (Fucoidan, Carrageenan-λ-ι-κ) and bacterial source (dextran sulfate). To do so, we used a depolymeriation process based on free radicals associated to ultrasonic waves developed in 2013 in the laboratory. This depolymerization method was then coupled with a chemical process called glycol-split. The produced compounds were evaluated for their capacity to inhibit heparanase and blood coagulation. This screening phase lead to the identification of a low molecular weight compound produced from λ-carrageenan endowed with a strong heparanase inhibition power and a low impact on the blood coagulation. The second part of this work was then focused on the evaluation of the anti-angiogenic properties of our best heparanase inhibitors. To do so, we first evaluated the role of hypoxia and lack of nutrients on the heparanase production from breast cancer cell lines. In these higly stressful conditions, we observed that the MCF-7 cell line secreted a huge amount of heparanase. 3D Matrigel angiogenesis network formation using Hsk-MEC microvascular cells in the presence of MCF-7 heparanase rich supernatant showed a strong angiogenesis stimulation. Same tests realized in the presence of heparanase inhibitors showed an angiogenesis inhibition power that seemed correlated with heparanase inhibition.