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The objective of this thesis is to design nanoparticle (NP)-based drug delivery systems suitable for treatment of bone diseases. Two types of nanocarriers, (1) polymer coated bovine serum albumin (BSA) NPs and (2) lipid based NPs (micelles and liposomes) were investigated. The BSA NPs were prepared by a coacervation method and stabilized with a polymer coating approach. For bone-specific delivery of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2), a copolymer polyethyleneimine-graft-poly(ethylene glycol) conjugated with 2-(3-mercaptopropylsulfanyl)-ethyl-1,1-bisphosphonic acid (PEI-PEG-thiolBP) was synthesized and used for coating the BSA NPs. The particle size and ζ-potential of the NPs could be effectively modulated by the processing parameters. All the NPs showed no or low cytotoxicity (except for a high concentration of PEI), and the NP encapsulated BMP-2 displayed full retention of its bioactivity. By encapsulating 125I-labeled BMP-2, the polymer-coated NPs were assessed for hydroxyapatite (HA) affinity; all NP-encapsulated BMP-2 showed significant affinity to HA as compared with free BMP-2 in vitro, and the PEI-PEG-thiolBP coated NPs improved the in vivo retention of BMP-2 compared with uncoated NPs. However, the biodistribution of NPs after intravenous injection in a rat model indicated no beneficial effects of thiolBP-coated NPs for bone targeting. Alternatively, micelles and liposomes were prepared with a conjugate of distearoylphosphoethanolamine-polyethyleneglycol with thiolBP (DSPE-PEG-thiolBP) to create mineral-binding nanocarriers. The thiolBP-decorated liposomes also displayed a stronger binding affinity to HA and a collagen/HA (Col/HA) scaffold and gave increased retention in the scaffold in a subcutaneous implant model in rats. Taking advantage of the high HA affinity of the BP-liposomes, a sustainable release system was developed by sequestering the liposomal drugs in the Col/HA scaffolds. Three different model drugs, carboxyfluorescein, doxorubicin and lysozyme, were used to evaluate the drug release profiles from the liposome-loaded scaffolds, and all showed a slowing effect of the BP on the release of the liposome-encapsulated drugs from the Col/HA scaffolds. This liposome-scaffold combination will provide a platform for the application of various therapeutic agents for bone regeneration. In conclusion, the BP-modified NPs showed strong mineral-binding affinity. Although the systemic bone targeting was limited by physiological barriers, these NPs are promising in local delivery and controlled release of bioactive molecules for treatment of bone diseases. / Chemical Engineering

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Des nanoparticules multifonctionnelles polymères, préparées par auto-assemblage de plusieurs dérivés du poly (L-glutamate de gamma-benzyle) (PBLG), ont été conçues afin d’assurer le ciblage des tissus osseux et la libération contrôlée de molécules actives. Des propriétés d'attachement aux tissus osseux leur ont été conférées par la présentation en surface de différents ligands ostéotropes, l'alendronate et l' acide poly(glutamique), seuls ou en combinaison. Leur affinité pour les tissus osseux a été évaluée in vivo ainsi que leur distribution fine dans ces tissus. Par ailleurs, des propriétés anticancéreux ont été conférées aux nanoparticules grâce à un mécanisme originale d’association du cisplatin par complexation. Le procédé mis en œuvre permet d’obtenir des cinétiques de libération très progressives de dérivés actifs du platine et déclenchée par la présence des ions chlorure. Enfin, leur cytotoxicité a été mesurée. Cette stratégie constitue donc une approche prometteuse en vue d’améliorer le traitement des métastases osseuses. / Multifunctional bone targeted polymeric nanoparticles prepared by self-assembly of several poly(gamma-benzyl-L-glutamate) (PBLG) derivates have been developed. Their bone binding properties were provided by two different osteotropic moieties, alendronate or/and poly(glutamic acid) exposed on the nanoparticle surface. Their affinity for bone tissues has been evaluated in vitro, ex vivo and in vivo, including their detailed distribution in bone tissues structures. Further, in view of bone cancer therapeutics, nanoparticles were provided with anticancer properties thanks to the complexation of cisplatin, which leaded to very well controlled release properties. Finally, cytotoxicity were studied. Therefore, this strategy constitute a promising approach for the improvement of bone cancer therapeutics.

L’interleukine 6 (IL-6) est une cytokine qui joue un rôle essentiel dans l’inflammation. Son récepteur (IL-6R) est composé de la chaîne non signalétique IL-6Rα et de la chaîne transductrice du signal gp130, commune aux cytokines de la famille IL-6. La liaison de l’IL-6 à son récepteur permet l’activation de plusieurs voies de signalisation, notamment des voies Jak/STAT1 et préférentiellement Jak/STAT3. De façon complémentaire, nous avons démontré que l’IL-6 est capable d’activer la voie Jak/STAT5 dans les lymphocytes T CD4. L’activation de cette voie de signalisation pourrait être impliquée dans le rétrocontrôle des effets pro-inflammatoires de l’IL-6 sur les cellules T CD4. Le facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) et la « cardiotrophin-like cytokine/cytokine-like factor 1 » (CLC/CLF) sont deux cytokines de la famille de l’IL-6 qui signalent à travers un récepteur commun, le récepteur au CNTF (CNTFR), composé du CNTFRα, « leukaemia inhibitory factor receptor β » (LIFRβ) et gp130. Toutes deux exercent des actions au niveau du système immunitaire, or la chaîne CNTFRα de leur récepteur n’y est pas exprimée. Il a été montré que le CNTFR humain peut également activer un récepteur formé des sous-unités IL-6Rα, LIFRβ et gp130. Nous avons comparé les effets du CNTF et du CLC/CLF de souris sur des transfectants exprimant LIFRβ et gp130 et les chaines α connues de la famille IL-6 (IL-6Rα, IL-11Rβ et CNTFRα). Nos résultats indiquent que le CNTF de souris, comme le CNTF humain est capable d’activer un récepteur formé de l’IL-6Rα, LIFRβ et gp130. Toutefois cette propriété n’est pas partagée par CLC/CLF et le récepteur impliqué dans les effets de cette cytokine sur le système immunitaire reste donc à identifier. L’IL-27 appartient à la famille de l’IL-6 composée d’une sous-unité cytokinique, p28, associée à un récepteur soluble « l’Epstein-Barr virus-induced gene 3» (EBI3). La sous-unité p28 peut s’associer avec le récepteur soluble CLF pour former une cytokine capable d’activer les lymphocytes T. Dans le but de caractériser cette cytokine, nous avons montré que p28/CLF agit aussi sur les lymphocytes B et permet leur différenciation en plasmocytes. Le partage de l’IL-6R par l’IL-6 et p28/CLF semble être à l’origine de la similarité des effets de ces deux cytokines. De plus, nous avons observé des effets semblables à ceux de l’IL-6 suite à l’association de la sous-unité p28 seule avec la chaîne IL-6Rα. En effet, afin de mieux caractériser la cytokine p28/CLF, nous avons étudié les effets dus au recrutement de la chaîne IL-6Rα par la sous-unité p28. Les cytokines de la famille de l’IL-6 sont composées de quatre hélices α disposées de façon anti-parallèle deux à deux. La sous-unité p28 possède, au niveau d’une boucle reliant deux hélices α, un motif de plusieurs acides glutamiques consécutifs (motif polyE) qui n’est retrouvé dans aucune autre cytokine de cette famille. Nous avons démontré que ce motif est impliqué dans la liaison de cette sous-unité avec l’hydroxyapatite et l’os. Cette caractéristique de p28 pourrait permettre un ciblage de l’IL-27 (p28/EBI3) et de p28/CLF préférentiellement vers la niche endostéale des cellules souches et des cellules immunitaires. / Interleukin 6 (IL-6) is a well known cytokine, characterized for its essential function in inflammation. IL-6 receptor (IL-6R) is composed of IL-6Rα, an unsignalling chain, associated with the signaling transducing chain gp130. This glycoprotein is shared by all IL-6 family cytokines. After binding with its receptor, IL-6 preferentially induces the activation of the Jak/STAT3 pathway but can also activate the Jak/STAT1 pathway. Unexpectedly we demonstrated that IL-6 can activate the Jak/STAT5 pathway in CD4 T cells. This STAT5 could act as negative feedback mechanism in response to the pro-inflammatory effects induced by an excess of IL-6. Ciliary neurotrophic factor (CNTF) and cardiotrophin-like cytokine (CLC/CLF) both belong to the IL-6 cytokine family and share the same receptor, the CNTF receptor (CNTFR). CNTFR is composed of CNTFRα, leukaemia inhibitory factor receptor β (LIFRβ) and the glycoprotein gp130. Interestingly, the CNTFRα chain is not expressed by immune cells even though CNTF and CLC/CLF are active on these cells. These effects can be due to the formation of a complex between cytokine and CNTFRα, which can be shedded. This complex can then activate cells expressing only gp130 and LIFRβ. In human, it has been demonstrated that the CNTFRα chain can be substitute with IL-6Rα. Here, we compare mouse CNTF- and CLC/CLF-induced effects in transfected cells expressing LIFRβ, gp130 and different α chains belonging to the IL-6 family (IL-6Rα, IL-11Rα or CNTFRα). Our data demonstrate that like human CNTF, mouse CNTF is able to activate a receptor comprising of IL-6Rα, gp130 and LIFRβ. However, this property is not shared with CLC/CLF. Therefore, second receptor for this cytokine within the immune system still remains to be identify. Interleukin 27 (IL-27) belongs to the IL-6 cytokine family and is composed of the cytokine subunit p28 associated with a soluble receptor chain Epstein-Barr virus-induced gene 3 (EBI3). We demonstrate that the p28 subunit can bind the soluble receptor CLF to form a new dimeric cytokine named p28/CLF. This cytokine is active on T cells and our study demonstrates its activity on B cells. Our results show that p28/CLF sustains plasma cell differentiation. Those IL-6-like properties can be explained by the use of a common receptor, IL-6R. Moreover, our findings demonstrate that p28 has IL-6-like properties when associated with IL-6Rα. In order to better characterize p28/CLF, we next studied effects of to the recruitment of the IL-6Rα chain by p28 subunit. Cytokines belonging to the IL-6 family share a structural particularity by forming a four helix bundle cytokines family. The p28 subunit uniquely expresses a motif composed of a dozen of glutamic acids (polyE motif). We demonstrate that this motif permits p28 binding to hydroxyapatite and bone matrix. This observation could allow a preferential targeting to bone of IL-27 (p28/EBI3) and p28/CLF, and specifically a targeting of stem or immune cells to endosteal niches.

L’interleukine 6 (IL-6) est une cytokine qui joue un rôle essentiel dans l’inflammation. Son récepteur (IL-6R) est composé de la chaîne non signalétique IL-6Rα et de la chaîne transductrice du signal gp130, commune aux cytokines de la famille IL-6. La liaison de l’IL-6 à son récepteur permet l’activation de plusieurs voies de signalisation, notamment des voies Jak/STAT1 et préférentiellement Jak/STAT3. De façon complémentaire, nous avons démontré que l’IL-6 est capable d’activer la voie Jak/STAT5 dans les lymphocytes T CD4. L’activation de cette voie de signalisation pourrait être impliquée dans le rétrocontrôle des effets pro-inflammatoires de l’IL-6 sur les cellules T CD4. Le facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) et la « cardiotrophin-like cytokine/cytokine-like factor 1 » (CLC/CLF) sont deux cytokines de la famille de l’IL-6 qui signalent à travers un récepteur commun, le récepteur au CNTF (CNTFR), composé du CNTFRα, « leukaemia inhibitory factor receptor β » (LIFRβ) et gp130. Toutes deux exercent des actions au niveau du système immunitaire, or la chaîne CNTFRα de leur récepteur n’y est pas exprimée. Il a été montré que le CNTFR humain peut également activer un récepteur formé des sous-unités IL-6Rα, LIFRβ et gp130. Nous avons comparé les effets du CNTF et du CLC/CLF de souris sur des transfectants exprimant LIFRβ et gp130 et les chaines α connues de la famille IL-6 (IL-6Rα, IL-11Rβ et CNTFRα). Nos résultats indiquent que le CNTF de souris, comme le CNTF humain est capable d’activer un récepteur formé de l’IL-6Rα, LIFRβ et gp130. Toutefois cette propriété n’est pas partagée par CLC/CLF et le récepteur impliqué dans les effets de cette cytokine sur le système immunitaire reste donc à identifier. L’IL-27 appartient à la famille de l’IL-6 composée d’une sous-unité cytokinique, p28, associée à un récepteur soluble « l’Epstein-Barr virus-induced gene 3» (EBI3). La sous-unité p28 peut s’associer avec le récepteur soluble CLF pour former une cytokine capable d’activer les lymphocytes T. Dans le but de caractériser cette cytokine, nous avons montré que p28/CLF agit aussi sur les lymphocytes B et permet leur différenciation en plasmocytes. Le partage de l’IL-6R par l’IL-6 et p28/CLF semble être à l’origine de la similarité des effets de ces deux cytokines. De plus, nous avons observé des effets semblables à ceux de l’IL-6 suite à l’association de la sous-unité p28 seule avec la chaîne IL-6Rα. En effet, afin de mieux caractériser la cytokine p28/CLF, nous avons étudié les effets dus au recrutement de la chaîne IL-6Rα par la sous-unité p28. Les cytokines de la famille de l’IL-6 sont composées de quatre hélices α disposées de façon anti-parallèle deux à deux. La sous-unité p28 possède, au niveau d’une boucle reliant deux hélices α, un motif de plusieurs acides glutamiques consécutifs (motif polyE) qui n’est retrouvé dans aucune autre cytokine de cette famille. Nous avons démontré que ce motif est impliqué dans la liaison de cette sous-unité avec l’hydroxyapatite et l’os. Cette caractéristique de p28 pourrait permettre un ciblage de l’IL-27 (p28/EBI3) et de p28/CLF préférentiellement vers la niche endostéale des cellules souches et des cellules immunitaires. / Interleukin 6 (IL-6) is a well known cytokine, characterized for its essential function in inflammation. IL-6 receptor (IL-6R) is composed of IL-6Rα, an unsignalling chain, associated with the signaling transducing chain gp130. This glycoprotein is shared by all IL-6 family cytokines. After binding with its receptor, IL-6 preferentially induces the activation of the Jak/STAT3 pathway but can also activate the Jak/STAT1 pathway. Unexpectedly we demonstrated that IL-6 can activate the Jak/STAT5 pathway in CD4 T cells. This STAT5 could act as negative feedback mechanism in response to the pro-inflammatory effects induced by an excess of IL-6. Ciliary neurotrophic factor (CNTF) and cardiotrophin-like cytokine (CLC/CLF) both belong to the IL-6 cytokine family and share the same receptor, the CNTF receptor (CNTFR). CNTFR is composed of CNTFRα, leukaemia inhibitory factor receptor β (LIFRβ) and the glycoprotein gp130. Interestingly, the CNTFRα chain is not expressed by immune cells even though CNTF and CLC/CLF are active on these cells. These effects can be due to the formation of a complex between cytokine and CNTFRα, which can be shedded. This complex can then activate cells expressing only gp130 and LIFRβ. In human, it has been demonstrated that the CNTFRα chain can be substitute with IL-6Rα. Here, we compare mouse CNTF- and CLC/CLF-induced effects in transfected cells expressing LIFRβ, gp130 and different α chains belonging to the IL-6 family (IL-6Rα, IL-11Rα or CNTFRα). Our data demonstrate that like human CNTF, mouse CNTF is able to activate a receptor comprising of IL-6Rα, gp130 and LIFRβ. However, this property is not shared with CLC/CLF. Therefore, second receptor for this cytokine within the immune system still remains to be identify. Interleukin 27 (IL-27) belongs to the IL-6 cytokine family and is composed of the cytokine subunit p28 associated with a soluble receptor chain Epstein-Barr virus-induced gene 3 (EBI3). We demonstrate that the p28 subunit can bind the soluble receptor CLF to form a new dimeric cytokine named p28/CLF. This cytokine is active on T cells and our study demonstrates its activity on B cells. Our results show that p28/CLF sustains plasma cell differentiation. Those IL-6-like properties can be explained by the use of a common receptor, IL-6R. Moreover, our findings demonstrate that p28 has IL-6-like properties when associated with IL-6Rα. In order to better characterize p28/CLF, we next studied effects of to the recruitment of the IL-6Rα chain by p28 subunit. Cytokines belonging to the IL-6 family share a structural particularity by forming a four helix bundle cytokines family. The p28 subunit uniquely expresses a motif composed of a dozen of glutamic acids (polyE motif). We demonstrate that this motif permits p28 binding to hydroxyapatite and bone matrix. This observation could allow a preferential targeting to bone of IL-27 (p28/EBI3) and p28/CLF, and specifically a targeting of stem or immune cells to endosteal niches.