Gold nanoparticles attain an intense focus in biomedical imaging applications due to their unique optical properties, facile conjugation with biomolecules, and biocompatibility. Although a considerable amount of work towards the development of gold nanoparticles has been completed, these promising contrast agents have not yet reached the clinic due to several challenges including efficient accumulation at the diseased site, sensitivity of detection in vivo, potential adverse effects, and clearance from the body. High signal-to-background ratio is required to enhance sensitivity of detection. Because near infrared (near-IR) light has the best tissue penetration, contrast agents designed to work in this range can significantly increase imaging sensitivity. Moreover, efficient targeting of the molecular biomarkers on diseased cells can decrease the required dosage, increase the site-specific accumulation, and enhance the imaging sensitivity. Molecular-specific contrast agents developed in this project use directional attachment of antibody molecules to the nanoparticle surface, enhancing the targeting efficacy. Additionally, cell-based delivery of diagnostic and therapeutic agents is gaining much interest due to the immune cells’ special access to the avascular, diseased regions. The contrast agents developed in this project enable detection of just a few cells per unit of imaging volume, enable multiplex imaging, and open up a possibility for tracking different cell populations with noninvasive photoacoustic and ultrasound imaging. Finally, the clearance of nanoparticles from the body dictates their clinical translation. The in vivo pharmacokinetics study along with the proposed in vitro model explored in this project will enable fast, reliable, and cost-efficient screening of promising agents and facilitate quick optimization of nanoparticles for their potential use in the clinic. / text

La stabilisation dite de Pickering repose sur l'utilisation de particules solides au lieu des émulsifiants. Leur forte adsorption aux interfaces confère à celles-ci une rigidité les protégeant de la coalescence. Ce travail se partage en quatre grandes parties. Un premier volet traite de la fabrication de ces particules et de leur caractérisation physico-chimique. Une deuxième partie traite de la formulation d'émulsions H/E selon deux procédés différents et leur caractérisation. La troisième partie avait pour but l'investigation du comportement de ces particules à l'interface H/E par diffusion de neutrons. La dernière partie traite de l'évaluation de ces émulsions pour l'application cutanée. Ce travail a pour objectif de formuler des émulsions de Pickering en utilisant des particules polymériques biodégradables. Des particules individualisées formées à partir de copolymères di-blocs du type : PCL-b-PEG et PLA-b-PEG, ont été fabriquées selon un procédé de nanoprécipitation innovant. Elles ont été caractérisées en termes de taille et de stabilité. Leur structure interne a également été investiguée par RMN et cryo-MET. Leur aptitude à stabiliser des émulsions H/E très concentrées a été démontrée. L'impact du procédé d'emulsification sur les propriétés finales a été souligné et l'adsorption de particules en forme de chapelets serrés à l'interface a été visualisée par diffusion de neutrons et microscopie électronique après cryofracture. L'absorption du rétinol dans la peau à partir de ces émulsions innovantes, a montré une accumulation accrue de cet actif dans le stratum corneum comparée à celle d'une émulsion stabilisée par des tensioactifs classiques. Cette absorption cutanée a été montrée dépendre du procédé de fabrication des émulsions. Les particules en suspension aqueuse ont aussi été testées pour l'encapsulation et la libération cutanée du rétinol. Les résultats ont montré l'influence de la constitution interne des particules (PCL ou PLA) sur l'absorption du rétinol dans la peau. L'utilisation de polymères biodégradables apporte de nouvelles perspectives dans la formulation des émulsions de Pickering à usage cosmétique ou pharmaceutique, en s'affranchissant des effets jugées hasardeux pour la santé humaine des particules inorganiques / The so-called Pickering stabilization is based on the use of solid particles instead of emulsifiers. Their strong adsorption at interfaces confers rigidity preventing them from coalescence. This work is divided into four main parts. The first part deals with the manufacture of these particles and their physicochemical characterization. A second part deals with the O/W emulsions formulation according to two different methods and their characterization. The third part is an investigation into the behavior of these particles at the O/W interface by small angle neutron scattering. The last part deals with the evaluation of these emulsions for their application to skin delivery. This work aims at the preparation of Pickering emulsions using biodegradable polymeric particles. Individual particles formed from diblock copolymers such as: PCL-b-PEG and PLA-b-PEG, were made by an innovative nanoprecipitation process. They were characterized in terms of their size and stability. Their internal structure was also investigated by NMR and cryo-TEM. Their ability to stabilize highly concentrated O/W emulsions has been demonstrated. The impact of the emulsification process on the final properties was emphasized and the adsorption of particles as tight necklaces at the interface was visualized by neutron scattering and freeze-fracture electron microscopy. The skin absorption of retinol from these innovative emulsions showed enhanced accumulation of the asset in the stratum corneum compared to conventional surfactant-stabilized emulsions. Such skin absorption of retinol was shown to depend on the manufacturing method of the emulsions. Particles in aqueous suspension were also tested for encapsulation and delivery of retinol in skin. The results showed the influence of the internal structure of the particles (PCL or PLA) on the absorption of retinol in the skin. The use of biodegradable polymers brings new perspectives in the formulation of Pickering emulsions for cosmetic or pharmaceutical use, while avoiding the effects of inorganic particles considered hazardous to human health

Les connaissances actuelles indiquent la nécessité d’induire une réponse immunitaire à large spectre et notamment des anticorps multifonctionnels pour protéger de l’infection par le VIH. Les approches vaccinales traditionnelles n’étant pas capables d’induire d’anticorps neutralisants à large spectre (bNAbs) suffisamment puissants contre le VIH-1, des stratégies alternatives sont étudiées afin d’induire ces bnAbs. Les avancées majeures concernent le développement de (i) glycoprotéines d’enveloppe optimisées comme immunogène, (ii) vecteurs transportant et présentant l’immunogène de manière efficace et (iii) la forme galénique permettant d’augmenter la durabilité de la réponse protectrice. Dans ce contexte, l’objectif de ce doctorat est d’évaluer les réponses immunitaires induites par des nanoparticules biodégradables fonctionnalisées avec des glycoprotéines d’enveloppe du VIH et d’optimiser la libération prolongée in vivo de l’immunogène. Dans un premier temps, nous avons comparé plusieurs glycoprotéines et sélectionné une glycoprotéine d’isolat primaire optimisée (SOSIP BG505) pour ses capacités à s’adsorber de manière stable à la surface des nanoparticules biodégradables, tout en exposant les épitopes de neutralisation, et capable d’induire in vivo une réponse immunitaire systémique. Nous avons ensuite conçu un hydrogel thermosensible à base de poloxamers capable d’incorporer ces nanoparticules tout en gardant leur stabilité colloïdale et analysé leur biodistribution par imagerie corps entier chez la souris. L’injection par voie sous cutanée de cet hydrogel permet d’induire une réponse immunitaire humorale forte, stable et des IgGs de forte affinité. Cette nouvelle formulation, innovante et simple à mettre en place, apparait comme une nouvelle stratégie de vaccination applicable à de nombreuses pathologies virales nécessitant l’induction d’anticorps neutralisant de forte affinité et à large spectre / Current knowledge indicates the need to induce a broad-spectrum immune response including multifunctional antibodies to protect against HIV infection. As traditional vaccine approaches are not capable of inducing potent broad-spectrum neutralizing antibodies (bNAbs) against HIV-1, alternative strategies are being investigated to induce these bnAbs. Major advances include the development of (i) optimized envelope glycoproteins as immunogens, (ii) efficiently carrying and immunogenic carriers, and (iii) the dosage form that would increase the durability of the protective response. In this context, the objective of this PhD is to evaluate the immune responses induced by biodegradable nanoparticles functionalized with HIV envelope glycoproteins and to optimize the in vivo sustained release of the immunogen.First, we compared several glycoproteins and selected an optimized primary isolate glycoprotein (SOSIP BG505) for its ability to be adsorbed to the surface of biodegradable nanoparticles, while exposing neutralization epitopes, and capable of inducing a systemic immune response in vivo. We then designed a thermosensitive, poloxamers-based hydrogel, capable of incorporating these nanoparticles while maintaining their colloidal stability and we have analyzed their biodistribution by whole-body imaging in mice. The subcutaneous injection of this hydrogel makes it possible to induce a strong, stable humoral immune response with high affinity IgGs. This new formulation, innovative and easy to implement, appears as a new vaccination strategy applicable to many viral diseases requiring the induction of high affinity neutralizing antibodies and broad spectrum

L'objectif de cette thèse était de mettre en oeuvre le développement d'une thérapie des plaies cutanées profondes basée sur l'utilisation de nanoparticules (NP) biodégradables de poly(acide lactique) (NP-PLA) vectrices de médiateurs de la cicatrisation. Le but était d'accélérer la cicatrisation cutanée et de favoriser la reconstruction d'un derme fonctionnel. La méthode a été de (i) réduire la réaction inflammatoire pour en contenir les effets délétères et (ii) stimuler la réépithélialisation pour accélérer la cicatrisation et réduire le risque infectieux. Les moyens ont été l'utilisation d'un antioxydant, la vitamine E (VE) et d'un facteur de croissance des fibroblastes (le FGF2) vectorisés par des nanoparticules biocompatibles et biodégradables de poly(acide lactique) (PLA). Nos NP-PLA contiennent l'antioxydant (VE) dans leur coeur hydrophobe, et portent le facteur de croissance fibroblastique (FGF2) à leur surface. Ces formulations ont été (i) caractérisées par des méthodes physico-chimiques et (ii) testées par des méthodes in vitro pour évaluer leurs effets potentiels, en tant que système de délivrance de VE et de FGF2, sur la cicatrisation des plaies. Des modèles expérimentaux in vivo ont été développés et caractérisés pour mettre en évidence l'efficacité des NP-PLA fonctionnalisées pour la cicatrisation cutanée et la reconstruction dermique fonctionnelle. Nos résultats montrent que l'activité antioxydante de la VE n'est pas perturbée par l'encapsulation dans des NP-PLA et qu'elle est légèrement supérieure à celle de la VE libre dans un système in vitro. De même, l'activité biologique du FGF2 sur la prolifération et la migration des fibroblastes dans un système in vitro n'est pas altérée par son adsorption sur des NP-PLA. Aucune de ces deux NP-PLA fonctionnalisées n'a de cytotoxicité avérée in vitro. Deux modèles expérimentaux de plaies cutanées profondes ont été développés sur souris sans poils SKH1 saines : (i) Un modèle robuste de brûlure cutanée thermique de 3ème degré qui se caractérise par une inflammation massive de la plaie et par un stade de granulation tardif après 16 jours de cicatrisation. (ii) Un modèle de plaie d'excision cutanée a également été utilisé. Un modèle de cicatrisation retardée a été obtenu par induction chimique d'un diabète de type I stable avant réalisation des plaies d'excision ou de brûlure. Ces modèles de plaies cutanées ont été caractérisés tout au long du processus de cicatrisation par des études (i) macroscopiques de cinétique de fermeture des plaies, (ii) histologiques d'inflammation, de nécrose et de réépithélialisation, (iii) physiologiques de perfusion sanguine cutanée. L'expression de 84 gènes impliqués dans le processus de cicatrisation a été étudiée sur le tissu cicatriciel 14 jours après formation de la plaie. Pour conclure, nos résultats mettent en évidence le potentiel de vectorisation de molécules thérapeutiques des NP de PLA pour le développement de futures stratégies de délivrance ciblée de VE et de FGF2 dans les plaies cutanées profondes. Les modèles expérimentaux in vivo développés et caractérisés, ouvrent la voie aux études précliniques d'efficacité des NP-PLA fonctionnalisées dans le processus de cicatrisation des plaies profondes / The objective of this thesis was to develop a therapy of cutaneous deep wounds based on biodegradable poly (lactic-acid) nanoparticles (PLA-NP) releasing wound healing mediators. The goal was to accelerate wound healing and to promote the reconstruction of a functional dermis. Our method was (i) to reduce the inflammatory reaction in the aim of limiting its deleterious effects, (ii) to stimulate reepithelialization to accelerate wound healing and to reduce the risk of infections. The implementation of means was based on the use of an antioxidant (vitamin E, VE) and a fibroblast growth factor (FGF2) carried by biocompatible and biodegradable poly(lactic-acid) based nanoparticles. Our PLA-NP contained the antioxidant (VE), in their hydrophobic core and carried the fibroblastic growth factor (FGF2) on their surface. These formulations were (i) characterized by physico-chemical methods and (ii) tested by in vitro methods to evaluate their effects as a delivery system of VE and FGF2 on wound healing. Experimental in vivo models have been developed and characterized in the aim of studying the potential beneficial effect of functionalized PLA-NP on wound healing and functional reconstruction of dermis. Our results show that the antioxidant activity of VE was not inhibited by encapsulation into PLA-NP and was lightly increased compared with free VE in an in vitro system. The biological activity of FGF2 on proliferation and migration of fibroblasts in an in vitro system was not altered by adsorption onto PLA-NP as well. No cytotoxicity of these functionalized PLA-NP was detected in vitro. Two experimental models of deep cutaneous wounds were developed on the healthy SKH1 hairless mouse: (i) A robust third degree thermal burn model that was characterized by massive inflammation of the wound and a late granulation stage after 16 days of healing. (ii) A model of excisional skin wound was also used. A model of delayed wound healing was established by chemical induction of stable type I diabetes prior to excision and burn injuries. The healing process of these models of cutaneous wounds was characterized by (i) macroscopic studies of wound closure, (ii) histological studies of inflammation, necrosis and reepithelialization, and (iii) by physiological studies of cutaneous blood perfusion. A study of the expression of 84 genes involved in the healing process was carried out on the scar tissue 14 days post-wound. In conclusion, our results highlight the potential efficacy of PLA-NP as a vector of therapeutic molecules for the development of future strategies for targeted delivery of VE and FGF2 in deep skin wounds. The developed and characterized in vivo experimental models open the way to preclinical studies of efficacy of functionalized PLA-NP on the healing process of deep wounds

The thesis outlines possible medical applications of soft matter assemblies as nanotechnology based systems as well as their potential in the emerging field of nanomedicine. Nanomedicine can be defined as the investigation area encompassing the design of diagnostics and therapeutics at the nanoscale, including nanobots, nanobiosensors, nanoparticles and other nanodevices, for the remediation, prevention and diagnosis of a variety of illnesses. The ultimate goal of nanomedicine is to improve patient quality-of-life. Because nanomedicine includes the rational design of an enormous number of nanotechnology-based products focused on miscellaneous diseases, a variety of nanomaterials can be employed. Therefore, the thesis is driven by a focus on recent advances in the manufacture of soft matter-based nanomedicines specifically designed to improve cancer diagnostics and chemotherapy efficacy. It will in particular highlight liposomes, polymer-drug conjugates, drug- loaded block copolymer micelles and biodegradable polymeric nanoparticles, emphasizing the current investigations and potential novel approaches towards overcoming the remaining challenges in the field as well as a brief overview of formulations that are in clinical trials and marketed products. Based on vehicle-related and...