De nos jours, les nanomatériaux sont utilisés dans de très nombreux domaines allant de l’agroalimentaire à la santé en passant par l’industrie automobile et le textile. Dans ce contexte, de nombreuses disciplines comme la métrologie et la nanotoxicologie se sont fortement développées. Dans les milieux biologiques, les protéines interagissent avec les nanoparticules pour former une couronne de protéines. Cette couronne de protéines joue un rôle important dans les interactions des nanoparticules avec leur environnement. Comprendre et caractériser les interactions des nanoparticules avec les protéines permettraient d’améliorer l’utilisation des nanoparticules dans différents domaines, notamment dans celui de la santé. Nous avons d’abord mis au point une méthode de purification des nanoparticules permettant de préserver la structure et la composition de la couronne protéique (Asymmetric flow field-flow fractionation, AF4). Nous avons ensuite caractérisé la couronne protéique associée à ces nanoparticules par plusieurs méthodes telles que la sédimentation centrifuge différentielle, la microscopie électronique, des méthodes basées sur la diffusion de la lumière (diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la résonance plasmonique de surface localisée ou non), le dichroïsme circulaire classique et le Synchrotron Radiation Circular Dichroism (SRCD, Diamond, UK). Nous avons montré qu’une couronne d’albumine sérique humaine provoque une augmentation du diamètre hydrodynamique des nanoparticules d’or de 14 à 25,3 nm et une diminution de la densité d’un facteur 2. Ceci nous a permis de calculer que 19 molécules d’albumine en moyenne interagissent avec une nanoparticule. Les spectres de dichroïsme circulaire ont permis d’estimer que l’albumine conserve environ 70% de ses structures hélicoïdales lorsqu’elle est complexée avec les nanoparticules. Nous avons estimé l’affinité avec laquelle les nanoparticules d’or interagissent qui est d’environ 351 nM pour l’albumine et 513 nM pour la transthyrétine qui est riche en brins béta. Nous avons également optimisé une méthode de couplage de l’AF4 à un appareil de mesure de la diffusion dynamique de la lumière (DLS) pour améliorer la précision de la mesure du diamètre hydrodynamique des nanoparticules. Cette méthode précise et flexible permettra de caractériser de nombreuses modifications de surface des nanoparticules comme l’ajout de polyéthylène glycol, utilisées pour la conception de nano-médicaments / Nowadays, nanomaterials are used in numerous areas ranging from food to health through cars and textile engineering. In this context, many disciplines such as metrology and nanotoxicology, have been developed. In biological fluids, proteins interact with nanoparticles to form the protein corona, which plays an important role in mediating the interactions of the nanoparticles with their environment. Understanding and characterizing the interactions of nanoparticles with proteins and the corona structure would improve their use in various fields and particularly in the health sector. We have first developed a method based on Asymmetric Flow Field Flow Fractionation (AF4) for purifying gold nanoparticles preserving the structure and composition of the protein corona. Then we have characterized the protein corona associated to these nanoparticles by differential centrifugal sedimentation, electron microscopy, light scattering (dynamic light scattering, DLS), surface plasmon resonance (SPR) and localized SPR and by circular dichroism (classical CD and Synchrotron Radiation Circular Dichroism, SRCD, Diamond, UK). We have shown that human serum albumin corona increased the hydrodynamic diameter of the gold nanoparticles from 14 to 25.3 nm and decreases their density by a factor of 2. This enabled us to calculate that 19 albumin molecules on average interact with a nanoparticle. We have estimated by circular dichroism that albumin maintains about 70% of its helical structures when complexed with nanoparticles. The affinity between gold nanoparticles and proteins, is about 351 nM for albumin and 513 nM for transthyretin, which are enriched in helices and beta strands respectively. We have also optimized a coupling method between the AF4 system and the dynamic light scattering apparatus to improve the measurement accuracy of the hydrodynamic diameter of the nanoparticles. This accurate and flexible method will be helpful to characterize many surface modifications of the nanoparticles such as the addition of polyethylene glycol used for the design of nanodrugs

The AC133 epitope of the pentaspan transmembrane glycoprotein CD133 has been used as a cell-surface marker for normal and cancer stem cells from a broad range of tissue types. Despite the utility of CD133 as a marker, little is known regarding its regulation and biological function. To study these poorly understood aspects of CD133, I took two main experimental approaches: RNA interference (RNAi) screening and affinity purification coupled with mass spectrometry (AP-MS) to identify CD133 regulatory genes and CD133 protein-protein interactions (PPIs), respectively. Both of these experimental approaches relied on a human embryonic kidney (HEK) 293 cell line that exogenously expresses affinity tagged CD133 (HEK293/AC133). This cell line allowed me to perform a large-scale RNAi screen to interrogate 11,248 genes for their involvement in cell-surface AC133 recognition. This resulted in the identification of the N-glycosylation pathway as a direct contributor to CD133 plasma membrane localization and cell-surface AC133 detection. I used the same RNAi screening approach on the colon adenocarcinoma cell line Caco-2, which express CD133 from its native promoter, to identify factors that regulate endogenous CD133 transcription. I was able to demonstrate that AF4 promotes CD133 transcription in a number of cancer cell lines. Furthermore, I showed that CD133 expression in an acute lymphoblastic leukemia (ALL) cell line SEM, which is dependent on the mixed-lineage leukemia (MLL)-AF4 gene fusion, is critical for the viability of these cells. To gain further insight into the function of CD133, I performed AP-MS using HEK293/AC133 cells to identify CD133 PPIs. I identified histone deacetylase 6 (HDAC6) as a CD133 protein interaction partner. I found that HDAC6 negatively regulates CD133 trafficking into the endosomal-lysosomal degradation pathway. CD133 binds HDAC6 to prevent inhibition of HDAC6 deacetylase activity by phosphorylation. Protection of HDAC6 from phosphorylation promotes HDAC6 deacetylation of β-catenin, which results in β-catenin dependent signalling and the suppression of cancer cell differentiation. My thesis provide functional roles for CD133 as a pro-proliferative protein and as a key signalling protein in certain cancer cell lines.

The AC133 epitope of the pentaspan transmembrane glycoprotein CD133 has been used as a cell-surface marker for normal and cancer stem cells from a broad range of tissue types. Despite the utility of CD133 as a marker, little is known regarding its regulation and biological function. To study these poorly understood aspects of CD133, I took two main experimental approaches: RNA interference (RNAi) screening and affinity purification coupled with mass spectrometry (AP-MS) to identify CD133 regulatory genes and CD133 protein-protein interactions (PPIs), respectively. Both of these experimental approaches relied on a human embryonic kidney (HEK) 293 cell line that exogenously expresses affinity tagged CD133 (HEK293/AC133). This cell line allowed me to perform a large-scale RNAi screen to interrogate 11,248 genes for their involvement in cell-surface AC133 recognition. This resulted in the identification of the N-glycosylation pathway as a direct contributor to CD133 plasma membrane localization and cell-surface AC133 detection. I used the same RNAi screening approach on the colon adenocarcinoma cell line Caco-2, which express CD133 from its native promoter, to identify factors that regulate endogenous CD133 transcription. I was able to demonstrate that AF4 promotes CD133 transcription in a number of cancer cell lines. Furthermore, I showed that CD133 expression in an acute lymphoblastic leukemia (ALL) cell line SEM, which is dependent on the mixed-lineage leukemia (MLL)-AF4 gene fusion, is critical for the viability of these cells. To gain further insight into the function of CD133, I performed AP-MS using HEK293/AC133 cells to identify CD133 PPIs. I identified histone deacetylase 6 (HDAC6) as a CD133 protein interaction partner. I found that HDAC6 negatively regulates CD133 trafficking into the endosomal-lysosomal degradation pathway. CD133 binds HDAC6 to prevent inhibition of HDAC6 deacetylase activity by phosphorylation. Protection of HDAC6 from phosphorylation promotes HDAC6 deacetylation of β-catenin, which results in β-catenin dependent signalling and the suppression of cancer cell differentiation. My thesis provide functional roles for CD133 as a pro-proliferative protein and as a key signalling protein in certain cancer cell lines.

No description available.

The anti-inflammatory and restorative effects of the flavonoid-enriched fraction AF4 were examined in a mouse model of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Relative to EAE mice that received vehicle (water, 10 ml/kg/day), oral administration of AF4 (25 mg/kg/day) beginning 24 hours after the onset of clinical signs reduced disease progression that was accompanied by diminished pro-inflammatory cytokine gene expression (cerebellum and spinal cord) and protein concentrations in the plasma. LPS-induced release of TNF-? from the whole blood of EAE mice that received AF4 was reduced at peak disease severity (day 18) but not once central inflammation had declined (day 31) indicative of unique immune modulator properties. Lastly, the expression of myelin-associated genes (PGC-1?, SCD1, and MBP) suggestive of remyelination was enhanced in the spinal cord of EAE mice that received AF4. These findings suggest that AF4 reduces EAE severity by selectively inhibiting autoimmunity and enhancing the expression of genes necessary for remyelination.

La matière organique dissoute (MOD) est constituée d’un mélange hétérogène et complexe de molécules. Elle intervient dans de nombreux processus physiques, biologiques et chimiques dans les milieux aquatiques, et notamment dans les grands cycles biogéochimiques ou le transport et la biodisponibilité des contaminants.Ainsi un des enjeux actuels de nombreux domaines de recherche (chimie, écologie, océanographie) est de mieux comprendre et caractériser la MOD dans l’environnement. Dans ce contexte-là, l’objectif de ces travaux a été le développement d’une méthodologie analytique pour l’analyse et la séparation, en fonction de la taille, par fractionnement par couplage flux-force avec flux asymétrique (AF4) de la MOD. Le développement a principalement porté sur la phase mobile, le flux croisé, le temps de focus et l’utilisation d’étalons organiques proches de la MOD, permettant de calculer sa masse moléculaire moyenne.Cette méthode optimisée, couplée à un détecteur UV/Vis, équipée d’une membrane de 1kDa, d’un espaceur de 490μm et d’une phase mobile de 5mM en tampon phosphate a permis l’étude de la dynamique de la MOD.L’application de cette méthode couplée aux techniques de spectroscopie optique (absorbance et fluorescence) a permis l’étude de la MOD dans les estuaires de Seine et de Gironde mettant en avant les effets de la marée et des saisons sur la taille et le type de MOD.De plus, différentes approches statistiques ont été développées afin de mieux appréhender les multiples variables (analytiques ou environnementales) et notamment les modèles de régression linéaire ou les cartes auto-organisatrices de Kohonen. / Dissolved organic matter (DOM) is a heterogeneous and complex mixture of molecules. It is involved in many physical, biological and chemical processes in aquatic ecosystems, especially in the major biogeochemical cycles or transport and bioavailability of contaminants.Thus one of the current issues in many areas of research (chemistry, ecology, oceanography) is to better understand and characterize DOM in the environment. In this context, the aim of this work was the development of an analytical methodology for DOM analysis and separation, depending on its size, by asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4). The development focused on the mobile phase, the cross-flow, the focus time and the use of organic macromolecules standards close to DOM, in order to calculate its molecular weight.This optimized method, coupled with a UV/Vis detector, equipped with a 1kDa membrane, a 490μm spacer and a mobile phase of 5 mM phosphate buffer allowed us to study the MOD dynamics in estuarine environments.The application of this method coupled to optical spectroscopy techniques (absorbance and fluorescence) permitted the study of MOD in the Seine and Gironde estuaries and to highlight the tidal and the seasonal effects on the size and type of DOM.Furthermore, different statistical approaches have been developed to better understand the multiple variables (analytical or environmental), especially linear regression models or self-organizing maps (Kohonen).

L’objectif de cette thèse était de mettre au point une analyse critique de vecteurs polymères utilisés pour la thérapie photodynamique (PDT) et de faire le lien avec l’efficacité thérapeutique observée. Pour cela, une analyse complète des vecteurs a été réalisée par des techniques classiques comme la diffusion dynamique de la lumière ou la microscopie électronique, mais aussi grâce au fractionnement flux-force, technique peu utilisée jusqu’à présent dans le domaine des auto-assemblages polymères. Dans un deuxième temps, les auto-assemblages ont été utilisés comme vecteurs d’un photosensibilisateur, le Phéophorbide a, et l’efficacité thérapeutique évaluée en travaillant sur culture cellulaire 2D et 3D de lignées HCT116 (cancer du colon) ou FaDu (cancer tête et cou). Différents vecteurs polymères simples ont tout d’abord été examinés, à savoir des micelles ou des polymersomes à base de copolymères diblocs amphiphiles comme le poly(oxyde d’éthylène-b--caprolactone), le poly(oxyde d’éthylène-b-lactide) ou le poly(oxyde d’éthylène-b-styrène). Ceci a permis d’obtenir des vecteurs présentant des tailles et des morphologies variables. Les résultats en PDT ont montré des comportements différents et une meilleure efficacité en 3D pour les systèmes à base de PEO-PDLLA. La technique de fractionnement flux-force asymétrique (AsFlFFF) a particulièrement été utilisée pour ces vecteurs afin de démontrer la pureté des auto-assemblages. Les connaissances acquises dans cette première partie ont permis de caractériser des vecteurs faits à base de mélanges d’auto-assemblages micelles/vésicules. Ceux-ci ont révélé des phénomènes d’antagonisme ou de synergie dans l’efficacité en PDT, démontrant l’existence de processus complexes au niveau de la réponse cellulaire.Des auto-assemblages figés par réticulation ont aussi été développés, caractérisés et examinés en PDT. Ils se sont avérés extrêmement intéressants pour la PDT sur les cultures cellulaires en 3D, démontrant une efficacité accrue comparée aux systèmes simples. La comparaison de ces résultats avec ceux obtenus en culture 2D pour les mêmes objets a de plus permis de mettre en évidence la différence entre ces deux modèles biologiques. Enfin, des auto-assemblages à base de complexes poly-ioniques ont aussi été formés et caractérisés. Le fractionnement flux-force s’est là encore avéré efficace, mais a nécessité l’utilisation d’une injection spéciale par Frit-inlet. Leur efficacité en PDT s’est avérée faible. / The objective of this study was to critically analyze different polymer self-assemblies used for photodynamic therapy (PDT) and to link this analysis to their therapeutic efficiency. To do that, a thorough characterization of the vectors has been performed by classical techniques such as Dynamic Light Scattering or electron Microscopy, but also using flow fractionation, which has been seldomly used so far for polymeric self-assemblies. In a second step, these have been used as vectors of a photosensitizer, namely Phéophorbide a, and the therapeutic efficiency assessed on both 2D and 3D cell cultures of HCT 116 (colon cancer) and FaDu (head and neck cancer) cells. Different simple polymer vectors have first been evaluated, namely micelles and polymersomes based on diblock amphiphilic copolymers such as poly(ethylene-oxide-b--caprolactone), poly(ethylene-oxide-b-lactide) or poly(ethylene-oxide-b-styrene). This enabled obtaining vectors exhibiting various sizes and morphologies. Results in PDT showed different behaviours and a better efficiency in 3D for PEO-PDLLA. The Asymmetric Flow Field Flow Fractionation was particularly used for these systems to demonstrate their purity. The acquired expertise on this part enabled us to also characterize vectors made of known mixtures of micelles and polymersomes. These revealed antagonism and synergy effects in PDT, demonstrating the presence of complex processes for the cell response. Other self-assemblies consisting of crosslinked systems have also been developed and characterized. These were observed to be particularly efficient for PDT on 3D cell cultures. The comparison of these results with those for the 2D cell culture enabled to highlight the difference between those two biological systems. Finally, self-assemblies based on Polyion Complexes were also formed and characterized. Field Flow Fractionation was once again used as a powerful technique for this, although this implied the use of a special injection device called Frit Inlet. Their PDT efficiency however proved to be low.

[ES] Debido a la naturaleza (poli)iónica de los conjugados polipéptido-fármaco (PDC), su traslado a clínica puede ser una tarea complicada y costosa, que requiere técnicas de polimerización reproducibles y escalables, la implementación de herramientas analíticas sofisticadas, pasos de caracterización exhaustivos y la recopilación de datos detallados de seguridad y eficacia. Algunas técnicas clásicas implementadas en el control de calidad de los PDC no se pueden utilizar para el análisis cualitativo y cuantitativo de productos de degradación y metabolitos. Como alternativa, la espectrometría de masas (MS) y el análisis de fraccionamiento de flujo de campo de flujo asimétrico (AF4) se han posicionado de forma relevante en dicha caracterización de polipéptidos y PDC. Mediante el uso de métodos de LC-MS, se puede realizar el análisis tanto de fármacos como de productos o metabolitos de degradación. Además, dado que la separación en AF4 no se basa en la interacción del analito con la columna, como ocurre en SEC, sino aplicando el flujo cruzado en un canal vacío; en AF4 es posible una separación de moléculas "a medida" según su tamaño y peso molecular dando lugar a la mejora selectiva de la separación. Teniendo en cuenta lo descrito anteriormente con respecto al diseño de PDC y su caracterización, la investigación incluida en esta tesis se centra en el desarrollo de nuevos procedimientos analíticos que ayuden a la selección de candidatos PDC con las características adecuadas que les permitirán avanzar a su evaluación preclínica. Implementaremos una herramienta de inteligencia artificial, diseño de experimentos, para desarrollar métodos analíticos adecuados y determinar las condiciones óptimas en la síntesis de nanoconjugados polipeptídicos. Además, exploraremos técnicas relativamente nuevas, como AF4 para desarrollar nuevos nanoconjugados polipeptídicos simples y de combinación y además, generaremos imágenes de espectrometría de masas, para entender su comportamiento en modelos preclínicos relevantes, lo que nos permitirá identificar terapias eficaces para una gran variedad de patologías (tumores sólidos avanzados incluyendo cáncer de mama triple negativo, cáncer de próstata y cáncer de páncreas, así como, lesión medular). / [CAT] A causa de la naturalesa (poli)iònica i, de vegades, proteica dels conjugats polipèptid-fàrmac (PDC), el seu trasllat a clínica pot ser una tasca complicada i costosa, que requereix tècniques de polimerització reproduïbles i escalables, la implementació d'eines analítiques sofisticades, passos de caracterització exhaustius i la recopilació de dades detallades de seguretat i eficàcia. Algunes tècniques clàssiques implementades en el control de qualitat dels PDC no es poden utilitzar per l'anàlisi qualitativa i quantitativa de productes de degradació i metabòlits. Com a alternativa, l'espectrometria de masses (MS) i l'anàlisi del fraccionament de flux de camp de flux asimètric (AF4) han trobat el seu camí en la caracterització de PDC. Mitjançant l'ús de mètodes LC-MS, es pot realitzar l'anàlisi tant de fàrmacs com de productes/metabòlits de degradació. A més, atès que la separació en AF4 no es basa en la interacció de l'analit amb la columna com en SEC sinó aplicant el flux creuat en un canal buit, una separació de molècules "a mesura" segons la seua grandària i pes molecular i la millora selectiva de la separació és possible en l'instrument AF4. Tenint en compte tot el descrit anteriorment respecte al disseny de PDC i la seua caracterització, la investigació inclosa en aquest projecte es centra en el desenvolupament de nous procediments analítics que ajuden a la selecció de candidats PDC per als seu estudi preclínic posterior. Implementarem una eina d'intel·ligència artificial, disseny d'experiments, per a desenvolupar mètodes analítics i la síntesi de nanoconjugats basats en polipèptids de manera adequada. A més, explorarem tècniques relativament noves, com AF4, i generarem imatges d'espectrometria de masses, per a desenvolupar nous conjugats a la recerca de teràpies eficaces per a tractar una varietat de malalties (càncer de mama triple negatiu, càncer de pròstata, càncer de pàncrees, així com en la lesió de medul·la espinal). / [EN] Due to the (poly)ionic and proteinic nature of polypeptide-drug conjugates (PDCs), their translation "from bench to bedside" represents a complex and expensive undertaking, requiring reproducible and scalable polymerization techniques, the implementation of sophisticated analytical tools, exhaustive characterization steps, and the collection of detailed safety and efficacy data. Classical techniques, such as liquid chromatography (LC) - UV/Vis and size exclusion chromatography (SEC) implemented in the quality control of PDCs during and after synthesis, cannot always support a qualitative and quantitative analysis of degradation products and metabolites. As an alternative, mass spectrometry (MS) and asymmetric flow field flow fractionation (AF4) have grown in influence on polypeptide and PDC characterization. The analysis of drug and degradation products/metabolites can take advantage of LC when coupled to MS. Meanwhile, AF4-mediated separation does not suffer from problems related to the interaction of the analyte with the column like in SEC; instead, AF4 applies a cross flow in an empty channel, which supports the "tailor-made" separation of molecules according to size and molecular weight. The research included in this Ph.D. thesis focuses on developing new analytical procedures that will aid the selection of PDC candidates for further preclinical studies. We implemented an artificial intelligence tool (design of experiments) to develop analytical methods and optimize the synthesis of genipin-crosslinked PDCs. Moreover, we explored relatively new techniques, such as AF4 and mass spectrometry imaging, in developing novel single and combination PDCs and studying their biological fate in the search for efficient therapies for a range of diseases (advanced solid tumors, including triple negative breast, prostate, and pancreatic cancer, as well as spinal cord injury). / Dordevic, S. (2023). Development of Analytical Procedures for the Characterization of Polypeptide-Based Nanoconjugates [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194554