La vectorisation de médicaments, qui permet de les acheminer sur les tissus cibles pour accroitre leur activité pharmacologique tout en limitant leur toxicité et effets indésirables, est un axe de recherche en forte expansion dans lequel les nanotechnologies sont un des facteurs clés. L’un des enjeux dans cette thèse a donc été de développer une méthode d’imagerie combinée entre la MSI et l’imagerie β pour l’étude de la biodistribution de nanoparticules de type graphène. Malgré l’étude de nanoparticules hétérogènes, les analyses ont permis de déterminer une signature carbonée répétable de l’oxyde de graphène en analyse LDI - MS et ainsi que des analyses reproductibles de MSI avec de CV inférieur à 30 %. De plus, la combinaison des deux techniques a permis d’obtenir la quantification absolue du GO en radioimagerie après exposition de souris à trois doses d’injection ainsi que la biodistribution à 25 µm de résolution spatiale de ces nanoparticules au sein des tissus grâce à l’apport de la MSI. Lors d’un second projet concernant l’étude de vecteurs micellaires polymériques encapsulant un médicament, une méthode MALDI - TOF a également été développée afin de détecter ces deux molécules simultanément. Cependant, les expérimentations réalisées ont montré le besoin de développer des protocoles de traitements tissulaire compatibles avec la MSI et permettant d’améliorer le seuil de sensibilité de cette technique analytique. / The vectorization of drugs, which allows them to be transported to target tissues to increase their pharmacological activity while limiting their toxicity and adverse effects, is a rapidly expanding research area in which nanotechnologies are one of the key factors. One of the challenges in this thesis was therefore to develop a combined imaging method between MSI and imaging β for the study of the biodistribution of graphene-type nanoparticles. Despite the study of heterogeneous nanoparticles, the analyses determined a repeatable carbon signature of graphene oxide in LDI - MS analysis and reproducible MSI analyses with CVs below 30%. In addition, the combination of the two techniques made it possible to obtain the absolute quantification of GO in radioimaging after exposure of mice to three injection doses as well as the biodistribution at 25 µm of spatial resolution of these nanoparticles within tissues thanks to the contribution of MSI. In a second project to study polymeric micellar vectors encapsulating a drug, a MALDI - TOF method was also developed to detect these two molecules simultaneously. However, the experiments carried out have shown the need to develop tissue treatment protocols compatible with MSI and making it possible to improve the sensitivity threshold of this analytical technique.

Au cours des dernières décennies, la technologie des nanoparticules pour la délivrance des vaccins au niveau de muqueuses a reçu un intérêt croissant. L’administration intranasale possède de grands avantages pour la stimulation du système immunitaire, telles que la stimulation d’une immunité protectrice locale et systémique. Cependant des systèmes de délivrance et des adjuvants sont souvent nécessaires pour déclencher efficacement la réponse immunitaire. Nous avons appliqué la technologie des nanoparticules en tant que système de délivrance d'un vaccin universel nasal contre la grippe dans un projet européen FP7 appelé UniVacFlu. Nous avons formulé un antigène adjuvé CTA1-3M2e-DD avec les NPL. Cet antigène est composé de la sous-unité A1 de la toxine du choléra et d’un épitope conservé du virus de la grippe A (M2e), ainsi que du dimère de l’analogue synthétique de la protéine A de Staphylococcus aureus (DD). Les nanoparticules utilisées sont poreuses et constituées de maltodextrines réticulées ayant un coeur lipidique (NPL). L’association de cet antigène avec les NPL est quantitative et la formulation est stable pendant au moins six mois à 4°C. Les NPL permettent également de délivrer d’une manière accrue cet antigène dans les cellules épithéliales des voies respiratoires et les macrophages. Actuellement ces formulations sont évaluées chez la souris par le consortium UniVacFlu.L'un des principaux problèmes des vaccins nasal est la toxicité qui peut être provoquée par le passage nez-cerveau de l'un de ses composants. Le but de ce travail est d'évaluer le potentiel des NPL, en tant que vecteurs pour la délivrance des vaccins nasal. Ainsi, nous avons étudié le chargement d’un antigène dans les NPL et sa délivrance dans les cellules épithéliales des voies respiratoires. Notre étude révèle que les NPL interagissent fortement avec les muqueuses et délivrent d’une manière accrue les antigènes dans les cellules. Nous avons également montré l'absence de transcytose et de passage paracellulaire des NPL ou des antigènes délivrés dans un modèle de barrière épithéliale in vitro. Les résultats in vivo confirment l'absence de passage nez-cerveau des NPL et montrent qu’elles prolongent fortement le temps de résidence nasale des antigènes qui sont ensuite éliminés par le tractus gastro-intestinal.Ces résultats mettent en évidence l'intérêt des NPL comme vecteurs pour la prochaine génération de médicaments et de vaccins. / Nanoparticles technology for mucosal delivery of vaccines received a growing interest in the last decades. Intranasal administration owns great advantages for immune system stimulation, such as local and systemic protection against infectious diseases. However delivery systems and adjuvants are often required to efficiently trigger mucosal and systemic immune responses. In this thesis, nanoparticles (NP) have been evaluated as delivery system for a nasal universal influenza vaccine in a People Program of the European Union Seventh Framework Program FP7 called UniVacFlu. The aim of the UniVacFlu network is to develop a universal influenza vaccine administered through the mucosal route. We used porous maltodextrin nanoparticles with a lipidic core (NPL). We loaded an adjuvanted antigen named CTA1-3M2e-DD in the NPL. CTA1-3M2e-DD is composed of the A1 subunit of the cholera toxin and a conserved epitope of influenza A virus (M2e), while DD, dimer of the synthetic analogue of the Staphyloccous aureus protein A, targets B cells. Interestingly the antigen loading in NPL was quantitative for the antigen: NPL 1:5 mass ratio and the formulation was stable for at least six months at 4°C. We assessed the successful delivery of the antigen by NPL in airway epithelial cells and macrophages. These formulations are currently evaluated by the UniVacFlu consortium in mice.One of the main issues of intranasal vaccines is the toxicity that can be elicited by the nose-brain passage of one of their components. We investigated the loading of antigens in NPL and their delivery in airway mucosa. We observed a high endocytosis of NPL and an increased protein delivery into the cells. On a transwell model of the airway mucosa we assessed the absence of transcytosis and paracellular passage of the NPL. In vivo results confirmed the lack of nose-brain passage of the NPL, as NPL were found not to cross the mucosa. Interestingly, we observed an increased nasal residence time of the protein targeted by NPL. The particles after having delivered their payload are totally eliminated through the gastrointestinal tract, making these nanoparticles good candidates for mucosal delivery system. These results highlight the interest of NPL as vectors for mucosal delivery of drugs.

Sterically stabilized liposomes with saturated lipid as the major lipid component (DSPC:m-PEGDSPE were applied in DB-67 delivery. The drug retention in vitro and pharmacokinetic properties in vivo were investigated. Liposomal DB-67 was cleared faster from the circulation in the larger liposomes (~180 nm) than in the smaller ones (~120 nm), even though DB-67 was retained longer in smaller size liposomes in vitro. Liposomal DB-67 clearance was increased when cholesterol was present in the liposomal composition (40 mole %). It can be attributable to the faster drug release from cholesterol containing liposomes as compared to liposomes without cholesterol. Cholesterol free liposomes with smaller particle size (~120 nm) were chosen as the optimal formulation. In addition, high lipid doses led to the lower clearance of liposomal DB-67 because the liposomal carriers were retained in the circulation longer. Liposomes of larger particle size were taken up by the liver and spleen to a greater extent than the smaller ones. But cholesterol content and lipid dose did not alter the tissue uptake of liposomes. The area under the DB-67 plasma concentration-time curve (AUC) for liposomal DB-67 was 40-fold higher that for non-liposomal DB-67.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

PURPOSE. To determine the intravitreal pharmacokinetic properties and to study the systemic biodistribution characteristics of 1-124-labeled bevacizumab, ranibizumab, and aflibercept with positron emission tomography-computed tomography (PET/CT) imaging in a nonhuman primate model. METHODS. Three groups with four owl monkeys per group underwent intravitreal injection with 1.25 mg/0.05 mL 1-124 bevacizumab, 0.5 mg/0.05 mL 1-124 ranibizumab, or 2.0 mg/0.05 mL 1-124 aflibercept in the right eye of each subject. All subjects were imaged using PET/CT on days 0, 1, 2, 4, 8, 14, 21, 28, and 35. Serum blood draws were performed at hours 1, 2, 4, 8, 12 and days 1, 2, 4, 8, 14, 21, 28, and 35. Radioactivity emission measurements were used to determine the intravitreal half-lives of each agent and to study the differences of radioactivity uptake in nonocular organs. RESULTS. The intravitreal half-lives were 3.60 days for 1-124 bevacizumab, 2.73 days for 1-124 ranibizumab, and 2.44 days for 1-124 aflibercept. Serum levels were highest and most prolonged for bevacizumab as compared to both ranibizumab and aflibercept. All agents were primarily excreted through the renal and mononuclear phagocyte systems. However, bevacizumab was also found in significantly higher levels in the liver, heart, and distal femur bones. CONCLUSIONS. Among the three anti-VEGF agents used in clinical practice, bevacizumab demonstrated the longest intravitreal retention time and aflibercept the shortest. Significantly higher and prolonged levels of bevacizumab were found in the serum as well as in the heart, liver, and distal bones. These differences may be considered by clinicians when formulating treatment algorithms for intravitreal therapies with these agents.

Abstract Bone marrow mesenchymal stromal cells (MSCs) and mononuclear cells (BM-MNCs) have shown great therapeutic potential in various clinical settings. Although intravascular transplantation of the cells constitutes the optimal delivery route, massive pulmonary entrapment, with the threat of embolization, remains a major obstacle for using this type of therapy. Because pulmonary entrapment is at least partially mediated by adhesion molecules, cell surface modification could enhance pulmonary passage. We used a porcine model of allogeneic MSC and autologous BM-MNC transplantation and radionuclide labelling to track the cells. The role of the transplantation route on lung entrapment, biodistribution, safety and BM-MNC targeting to the injured brain was studied. Effects of pronase detachment on the lung passage of MSCs were studied in porcine and murine models; a rat model of acute limb injury was used to further evaluate tissue targeting. Treatment with pronase to detach cell surface molecules and the effect on stem cell potential was assessed in vitro. Intra-arterial administration of MSCs diminishes their lung deposition; intravascular transplantation did not cause pulmonary embolisms. Intra-arterially transplanted BM-MNCs did not reach the brain in significant numbers. Transient proteolytic modification of MSCs with pronase decreased lung accumulation and tissue targeting without affecting their therapeutic characteristics. Intra-arterial transplantation increases lung passage of MSCs. Although thromboembolic events were not observed, further studies are warranted to ensure the safety of this route of MSC delivery. Pronase detachment is a promising method to enhance the potential of systemic MSC therapies. / Tiivistelmä Luutytimen mesenkymaaliset kantasolut (MSC) ja mononukleaariset solut (BM-MNC) ovat osoittautuneet tehokkaiksi useissa kliinisissä käyttöaiheissa. Solujen systeeminen annostelu verenkiertoon olisi käytännön kannalta paras soluterapian toteutukseen, mutta solujen merkittävä taipumus jäädä keuhkoihin loukkuun ja veritulppariski muodostavat haasteen. Keuhkohakeutumisen tiedetään ainakin osin johtuvan solujen pintamolekyyleistä ja näiden muokkaaminen voisi parantaa solujen keuhkoläpäisevyyttä. Tutkimuksessa käytettiin koe-eläimenä sikaa, jolle istutettiin systeemisesti allogeenisia mesenkymaalisia kantasoluja tai autologisia luuytimen mononukleaarisia soluja; solujen kudoshakeutumisen seuranta toteutettiin isotooppileimauksella- ja kuvannuksella. Tutkimuksessa arvioitiin annostelureitin vaikutusta keuhkoläpäisevyyteen, solujen kudojakautumista, toimenpiteen turvallisuutta sekä mononukleaarisolujen hakeutumista vaurioituneeseen aivokudokseen. Pronaasikäsittelyn vaikutusta mesenkymaalisten kantasolujen keuhkoläpäisevyyteen arvioitiin sika- ja hiirimallissa; rotan raajavauriomallia käytettiin lisäksi pronaasin kudoshakeutumisvaikutusten arvioimiseen. Pronaasikäsittelyn vaikutuksia solujen pintarakenteisiin ja toiminnallisuuteen arvioitiin in vitro- kokeissa. Mesenkyymalisten kantasolujen annostelu valtimonsisäisesti paransi solujen keuhkoläpäisevyyttä; tutkimuksissa käytetyt solut eivät aiheuttaneet keuhkoveritulppia. Valtimonsisäisesti annostellut mononukleaarisolut eivät hakeutuneet vaurioituneeseen aivokudokseen sikamallissa. Pronaasikäsittely muovasi solujen pintaproteiineja palautuvasti ja tämä lisäsi huomattavasti mesenkymaalisten kantasolujen keuhkoläpäisevyyttä ja kudoshakeutumista vaikuttamatta solujen toiminnallisuuteen. Mesenkymaalisten kantasolujen annostelu valtimonsisäisesti voi parantaa solujen keuhkoläpäisevyyttä. Tutkimuksessa ei todettu keuhkoveritulppaa tai muita tromboembolisia tapahtumia, mutta lisätutkimuksia tarvitaan MSC- terapian turvallisuuden takaamiseksi. Pronaasikäsittelyn tulokset mesenkymaalisten kantasolujen systeemisen annostelun parantamisessa olivat lupaavia.

No / (51)Cr-labeled, superparamagnetic, iron oxide nanoparticles ((51)Cr-SPIOs) and (65)Zn-labeled CdSe/CdS/ZnS-quantum dots ((65)Zn-Qdots) were prepared using an easy, on demand, exchange-labeling technique and their particokinetic parameters were studied in mice after intravenous injection. The results indicate that the application of these heterologous isotopes can be used to successfully mark the nanoparticles during initial distribution and organ uptake, although the (65)Zn-label appeared not to be fully stable. As the degradation of the nanoparticles takes place, the individual transport mechanisms for the different isotopes must be carefully taken into account. Although this variation in transport paths can bring new insights with regard to the respective trace element homeostasis, it can also limit the relevance of such trace material-based approaches in nanobioscience. By monitoring (51)Cr-SPIOs after oral gavage, the gastrointestinal non-absorption of intact SPIOs in a hydrophilic or lipophilic surrounding was measured in mice with such high sensitivity for the first time. After intravenous injection, polymer-coated, (65)Zn-Qdots were mainly taken up by the liver and spleen, which was different from that of ionic (65)ZnCl2. Following the label for 4 weeks, an indication of substantial degradation of the nanoparticles and the release of the label into the Zn pool was observed. Confocal microscopy of rat liver cryosections (prepared 2 h after intravenous injection of polymer-coated Qdots) revealed a colocalization with markers for Kupffer cells and liver sinusoidal endothelial cells (LSEC), but not with hepatocytes. In J774 macrophages, fluorescent Qdots were found colocalized with lysosomal markers. After 24 h, no signs of degradation could be detected. However, after 12 weeks, no fluorescent nanoparticles could be detected in the liver cryosections, which would confirm our (65)Zn data showing a substantial degradation of the polymer-coated CdSe/CdS/ZnS-Qdots in the liver.

La mucoviscidose est une maladie monogénique, caractérisée par des mutations survenant au niveau du gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator). Le clonage en 1989 du gène CFTR a permis d’envisager de traiter cette maladie par thérapie génique. Cela consiste à transférer à l’aide d’un vecteur, une version normale du gène CFTR dans les cellules atteintes des patients. En raison de la gravité des complications pulmonaires, c’est l’épithélium respiratoire qui constitue aujourd’hui le tissu cible pour le transfert de gènes. Le principe de la thérapie génique est évidemment très séduisant et un certain nombre d’essais cliniques ont d’ores et déjà été réalisés. La thérapie génique nécessite des outils de vectorisation efficaces et compatibles avec une utilisation répétée en clinique.Mon sujet de thèse a porté donc sur le développement, la biodistribution et l’optimisation de vecteurs synthétiques (lipides cationiques) pour le transfert de gènes dans l’épithélium respiratoire. Au cours de mes travaux, nous avons donc pu mettre au point des lipophosphoramidates KLN47 fluorescents utiles pour les études de biodistribution in vivo. Comparés au KLN47 non fluorescent, ces nouveaux composés présentent les mêmes propriétés physicochimiques, à savoir une taille relativement petite et un potentiel zêta positif. Sur lignées cellulaires, nous avons montré que les nouvelles formulations étaient aussi efficaces que le KLN47, et pas ou peu toxiques. Ensuite, sur modèle animal, les profils de biodistribution de lipoplexes pégylés et non-pégylés ont été comparés après injection systémique. Les profils de biodistribution des lipoplexes pégylés et non-pégylés étaient similaires, cependant, la pégylation des complexes a conduit à une circulation prolongée dans la circulation sanguine, alors que l’expression du transgène (luciférase) était équivalente dans les deux cas. De plus, l’activité luciférase était similaire à celle obtenue avec le KLN47 non fluorescent. Nous avons ainsi démontré que l’ajout des sondes lipidiques fluorescentes dans la solution liposomale du KLN47, ne modifie pas ses propriétés physicochimiques et transfectantes. L’ensemble des résultats montre que nous disposons d’outils prometteurs pour les études de biodistribution in vivo. D’autres molécules ont également été testées avec succès. / Cystic fibrosis is a monogenic disease characterized by mutations occurring at the CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) gene. The clonining in 1989 of the CFTR gene has enabled to consider treating this disease by gene therapy. This consists of transferring a normal version of the CFTR gene in the affected patients’ cells, using a vector. Due to the severity of pulmonary complications, it is obvious that the respiratory epithelium constitutes the target tissue for the gene transfer. The principle of gene therapy is indeed very attractive and a number of clinical trials have already been made. Gene therapy requires vectorization tools that are efficient and compatible with repeated clinical use.My thesis has focused on the development, biodistribution and optimization of synthetic vectors (cationic lipids) for gene transfer in the respiratory epithelium. During my work, we were able to develop useful fluorescent KLN47 lipophosphoramidates for in vivo biodistribution studies. Compared to non fluorescent KLN47, these new compounds exhibit the same physicochemical properties: a relatively small size and a positive zeta potential. On cell lines, we found that the new formulations were as effective as the KLN47, with little or no toxicity. Then, in animal models, the biodistribution profiles of pegylated and non-pegylated lipoplexes were compared after systemic injection. The biodistribution profiles of pegylated and non-pegylated lipoplexes were similar. However, the pegylation of the complex resulted in prolonged circulation in the bloodstream, whereas transgene expression (luciferase) was equivalent in both cases. In addition, luciferase activity was similar to that obtained with the non-fluorescent KLN47. We have demonstrated that the addition of fluorescent lipid probes in the liposomal solution KLN47, does not change its physicochemical and transfectant properties. The overall results show that we have promising tools for in vivo biodistribution studies. Other molecules have also been tested successfully.

L’oxyde de graphène est un nanomatériau prometteur grâce à ses caractéristiques physicochimiques. Cependant, jusqu’à aujourd’hui, sa composition exacte reste encore inconnue. Ceci est dû à la complexité et au caractère non-stoechiométrique de ce matériau. Nous avons commencé par étudier sa composition de surface et sa réactivité. Nous avons utilisé des échantillons synthétisés de manière différente pour explorer la relation entre la méthode de synthèse et la composition de surface. En outre, nous avons préparé un dérivé fonctionnalisé avec un agent chélatant de radionucléides pour étudier sa biodistribution et l’impact de la taille latérale.Par la suite, nous avons essayé plusieurs stratégies de multi-fonctionnalisation. L’avantage est de pouvoir combiner différentes propriétés. Nous avons observé que, souvent après la fonctionnalisation, la dispersabilité de l’oxyde de graphène diminue. Ainsi, nous avons développé un échantillon fonctionnalisé par un polymère soluble dans l’eau. Enfin, nous avons exploré et amélioré les méthodes de caractérisation de l’oxyde de graphène. Une caractérisation approfondie par différentes techniques est fondamentale pour comprendre les modifications que le matériau a subies. / Graphene oxide is a promising nanomaterial thanks to its physicochemical characteristics. However, until today its exact composition remains still unknown. This is due to the complexity and non-stoichiometric character of this material.We started by investigating the surface composition of graphene oxide and its reactivity. We used differently synthesized samples to explore the relationship between the synthesis method and the surface composition. Furthermore, we functionalized graphene oxide with a chelating agent of radionuclides to study its biodistribution, and the impact of the lateral size. Afterwards, we tried different strategies for multifunctionalization with the aim to combine different properties. We observed that the dispersibility of graphene oxide often decreased after functionalization. Thus, we developed a highly water-stable graphene oxide sample by grafting awater-soluble polymer on its surface. Finally, we explored and improved the characterization methods for graphene oxide. Athorough investigation using different characterization techniques is fundamental to understand the modifications that the material underwent.

L'objectif de cette thèse est d’étudier temporellement des phénomènes évolutifs à l'aide de la tomographie d'émission monophotonique (TEMP). La première partie de cette thèse traite le problème du mouvement respiratoire dans les images TEMP de souris. Nous présentons ici une méthode permettant de détecter ce mouvement respiratoire dans les images TEMP 4D, d'extraire un signal respiratoire intrinsèque, et de déterminer la phase du cycle respiratoire sans mouvement la plus large possible. Les données enregistrées durant ces phases sans mouvement sont alors utilisées pour reconstruire une seule image TEMP 3D sans artefact de mouvement par acquisition. Les images ainsi reconstruites présentent un bon compromis en terme de statistiques et de précision des mesures par rapport aux images TEMP 3D de base et TEMP 4D. Dans la deuxième partie, nous étudions la cinétique d'incorporation de l'iode dans l'estomac de souris à partir d'images TEMP 4D. Afin de comprendre le rôle biologique de cette accumulation dans l'estomac, nous avons modélisé le phénomène par une approche d'analyse compartimentale avec un modèle simplifiée à deux compartiments (paroi et cavité stomacale) et une entrée (sang). Les courbes temps-activité (TAC) de chaque compartiment sont déduites des observations et une première estimation des paramètres a été obtenue. / The aim of this thesis is to investigate temporally evolving phenomena with the use of single photon emission computed tomography (SPECT).The first part of this thesis addresses the problem of respiratory motion in SPECT images of mice. The presented method permits us to detect the respiratory motion in 4D SPECT images, to extract an intrinsic respiratory signal and to determine the widest possible phase of the respiratory cycle without movement. The data recorded during these motionless phases are then used to reconstruct a single 3D SPECT image without motion artefacts per acquisition. Reconstructed motionless SPECT images present a good compromise in terms of statistics and accuracy of the measurements with respect to basic 3D SPECT and 4D SPECT images. In the second part, we study the iodide uptake kinetics in the stomach 99mTc-pertechnetate biodistribution with the of mice through the study of use of 4D SPECT images. To understand the biological role of the iodide accumulation in the stomach, we modelled the phenomenon with a compartmental analysis approach using a simplified two-compartment (stomach wall and cavity) model with one input (blood). Time activity curves (TAC) of each compartment are deduced from observations and a first estimation of the parameters was obtained.