La dérégulation du métabolisme des cellules tumorales est un hallmark du cancer clairement établi. Pour assurer leur taux de proliferation élevé, les cellules cancéreuses adaptent leur métabolisme, ce qui leur permet de répondre à leurs nouveaux besoins énergétiques. Dans ce contexte, les cellules tumorales présentent des besoins en fer augmentés ainsi que de multiples perturbations du métabolisme du fer, ce qui les rend plus sensibles à la privation en fer. Cette vulnérabilité pourrait ainsi faire l’objet d’un ciblage thérapeutique. Dans les cancers du sein, de nouvelles approches thérapeutiques sont très attendues en particulier pour les cancers triple-négatifs qui développent fréquemment des résistances à la chimiothérapie et qui souffrent d'un manque de cibles thérapeutiques spécifiques. L’activité antitumorale des chélateurs de fer tels que le déférasirox (DFX) évalués en monothérapie a déjà été démontrée dans différents types de cancers mais ne semble pas être suffisamment efficace pour éradiquer les tumeurs. Dans cette étude, nous avons démontré que le DFX agit en synergie avec des molécules de chimiothérapies conventionnelles telles que la doxorubicine, le cisplatine et le carboplatine pour inhiber la prolifération cellulaire et induire l’apoptose et l’autophagie de lignées cellulaires mammaires de sous-type triple-négatif. De plus, la combinaison du DFX avec la doxorubicine et le cyclophosphamide permet de retarder voire d’éviter les récidives dans des xénogreffes de tumeurs mammaires triple-négatives (PDX) sans augmenter les effets secondaires de la chimiothérapie seule ni impacter les réserves en fer globales des souris. Au niveau moléculaire, nous avons montré que la synergie antitumorale du DFX et de la doxorubicine implique une inhibition des voies PI3K et NF-κB. Par ailleurs, étant donné que les patients présentant un cancer triple-négatif avec de faibles réserves en fer tumorales présentent un bon pronostic, nous pensons que la privation en fer au moyen de chélateurs de fer pourrait constituer une approche d’autant plus efficace pour augmenter l’efficacité des chimiothérapies conventionnelles dans le traitement de ces cancers. / Deregulation of tumor cell metabolism is a clearly established cancer hallmark. To ensure their high proliferation rate, cancer cells adapt their metabolism to meet their new energy needs. In this context, tumor cells display increased iron needs as well as multiple disturbances in their iron metabolism, making them more susceptible to iron deprivation. This vulnerability could be a therapeutic target. In breast cancers, the development of new therapeutic approaches is urgently needed for patients with triple negative tumors (TNBC) which frequently develop chemotherapies resistance and suffer from a lack of targeted therapies. The anticancer activity of iron chelators such as deferasirox (DFX) assessed in monotherapy has been demonstrated in different types of cancers. However, iron chelators do not appear to be effective enough to eradicate cancer. In this work, we demonstrated that DFX synergizes with standard chemotherapeutic agents such as doxorubicin, cisplatin and carboplatin to inhibit cell proliferation and induce apoptosis and autophagy in TNBC cell lines. Moreover, the combination of DFX with doxorubicin and cyclophosphamide allowed to delay or avoid recurrences in breast cancer patient-derived xenografts (PDX) without increasing the side-effects of chemotherapies alone or altering global iron storage of mice. At the molecular level, we showed that the antitumor synergy of DFX and doxorubicin involves a down-regulation of PI3K and NF-κB pathways. Furthermore, as TNBC patients with low iron storage in their tumor present a better prognosis, we thought that iron deprivation mediated by iron chelators may all the more increase the effectiveness of conventional chemotherapies for TNBC treatment.

Le cuivre est un élément essentiel à tout être vivant, il intervient en tant que cofacteur dans de nombreux processus biologiques. Cependant, en excès, il est toxique pour l'organisme et peut impliquer des réactions de type Fenton. Sa concentration dans les cellules est donc régulée par des protéines qui permettent son transport et son élimination. La maladie de Wilson est due à une anomalie au niveau d'une de ces protéines (l'ATP7B). C'est une maladie génétique, dont les deux parents sont porteurs sains. Elle entraîne une accumulation du cuivre dans le foie, le cerveau et les yeux. Cette maladie orpheline (1/30 000 à 1/100000) présente des symptômes nombreux et souvent peu spécifiques à la maladie de Wilson. Les traitements actuels visent à diminuer l'absorption intestinale ou à augmenter l'excrétion urinaire du cuivre et doivent être suivis à vie. Ils ne visent absolument pas le foie qui est le premier organe touché et sont peu sélectifs du cuivre. Actuellement, il n'existe pas de traitement capable d'éliminer le cuivre directement au niveau du foie qui est le premier organe touché. Une molécule capable d'éliminer le cuivre en excès contenu dans les cellules du foie (hépatocytes) serait donc très utile pour soulager les malades. Pour cela, nous avons conçu des vecteurs comportant une partie ciblante pour pouvoir cibler le foie et une partie chélatante pour complexer le cuivre(I). Cette partie chélatante présente une forte affinité pour le cuivre(I) et une forte sélectivité Cu+/Zn2+. Ainsi, deux modèles de parties chélatantes basés sur deux et trois cystéines ont été synthétisés et des études de complexation du cuivre(I) mais aussi d'autres métaux divalents de configuration d10 ont été réalisés. Enfin, la vectorisation de ces modèles a été réalisée et des tests cellulaires ont été faits afin d'évaluer la complexation des ces vecteurs pour le cuivre(I) intracellulaire.

L. pneumophila est une bactérie ubiquitaire des environnements aquatiques, responsable de la légionellose. Elle est principalement retrouvée au sein de protozoaires, mais aussi dans les biofilms. Il est admit que le fer est l'un des éléments indispensable à la croissance de ce pathogène. En 2008, une étude a été réalisée au sein de notre équipe montrant une modulation de l'expression des gènes entre L. pneumophila à l'état planctonique, et à l'état de biofilm. Dans cette même étude, l'ajout de forte concentration en fer (1,25 g/l), dans le milieu de culture des biofilms, a révélé une inhibition de leur développement. Le fer présente donc un rôle dans l'établissement de biofilms mono espèces de L. pneumophila. Nous avons développé un modèle de biofilms naturels, formés à partir d'eau de rivière, afin de tester l'établissement de L. pneumophila, dans des conditions où l'eau de rivière est supplémentée en fer ou au contraire appauvrit, par l'ajout de chélateurs, le deferoxamine mesylate (DFX) ou le dipyridyl (DIP). Les ajouts de fer et de DFX n'ont eu aucun impact sur l'établissement de L. pneumophila contrairement au DIP, qui a induit une augmentation de l'implantation de ces bactéries.Par ailleurs, nous avons effectué une analyse transcriptomique sur L. pneumophila cultivées en milieu liquide supplémenté en DFX. L'ajout du chélateur a entrainé une induction de l'expression de 113 gènes et la répression de 246 gènes. Parmi les gènes induits, certains sont déjà connus comme étant impliqués dans le métabolisme du fer ou contrôlés par le fer. Parmi eux, un gène a été surexprimé, il n'a jamais été associé au fer et sa fonction est encore inconnue à ce jour. Il s'agit du gène lpp2867. Des investigations ont été réalisées afin de caractériser et de comprendre le rôle de la protéine pour laquelle il code. Elle est notamment impliquée dans l'infection des amibes et des macrophages. Son rôle dans le transport du fer ferreux a également été mis en avant. Cette protéine a été nommée IroT pour « iron transporter ». / L. pneumophila is a ubiquitous bacterium found in aquatic environments, and responsible for legionellosis. It is mainly found into both protozoa and biofilms. Iron is a key nutrient for an optimal growth of this pathogen. In 2008, a transcriptomic analysis was carried out within our team, revealing a differential expression of genes involved in iron metabolism between sessile and planktonic bacteria. Also, this study showed that, for high iron concentrations (1.25 g/l), biofilm formation by L. pneumophila was inhibited. It suggested that iron is important for biofilm formation by L. pneumophila. To extend these observations in more natural conditions, a model of biofilm formation, using natural river water, was developed. Water was spiked with L. pneumophila and supplemented with iron or iron chelator, deferoxamine mesylate (DFX) or dipyridyl (DIP). Addition of iron and DFX did not have any effect on L. pneumophila establishment unlike the DIP which induced an increase of L. pneumophila concentration into the biofilms.Otherwise, we performed transcriptomic analysis on L. pneumophila grown in liquid medium supplemented with DFX. The addition of this chelator led to the induction of 113 genes and 246 genes were repressed significantly. Among the induced genes, some are involved in iron metabolism or controlled by iron. There was an induced gene, lpp2867, never associated with iron metabolism and whose function was still unknown. Investigations were realized to characterize and understand the role of the protein encoded by this gene. It is involved in L. pneumophila virulence and in ferrous iron assimilation. This new protein was named IroT for iron transporter.

L'utilisation du plutonium (Pu(IV) pour des applications militaires et civiles peut engendrer des contaminations internes chez les personnes exposées. Plusieurs voies de contamination sont possibles : par ingestion, par inhalation ou par blessure. En cas d'inhalation, le plutonium se présente le plus souvent sous forme de particules d'oxyde de plutonium qui vont se localiser au sein des alvéoles pulmonaires. Par un mécanisme de phagocytose, les particules sont internalisées par les macrophages de l'épithélium pulmonaire. Actuellement, le seul agent de décorporation administré en cas de contamination au plutonium est le DTPA (l'acide diethylenetriaminepentaacetique). Il est administré en France sous forme de CaNa3-DTPA par injection intraveineuse et est efficace pour les contaminations par ingestion et par blessure. Les nanoparticules fonctionnalisées à base de polymères naturels sont un concept innovant de décorporation du Pu(IV) solubilisé dans les macrophages pulmonaires et ouvrent la voie au développement de nouvelles familles de décorporants. C'est dans ce contexte que deux stratégies ont été développées : des nanoparticules à base de N-trimethyl chitosan fonctionnalisées par le ligand DTPMP (l'acide diéthylènetriaminepentamethylene phosphonique) qui est l'analogue phosphonique du DTPA et des nanoparticules chélatantes à base de -cyclodextrines amphiphiles anioniques. Ce travail a consisté en la synthèse et la caractérisation des nano-objets puis de l'étude de leur complexation avec les actinides (Th/Pu) en utilisant la spectroscopie EXAFS. Et enfin, des tests préliminaires biologiques in vitro ont été réalisés. Les résultats obtenus, avec les nanoparticules à base de chitosan et de DTPMP montrent que les nanoparticules présentent des tailles et une stabilité compatible avec l’application visée. D’autre part, leur affinité pour les actinides (IV) (Th,Pu) est comparable à celle du chélatant de référence, le DTPA. Enfin, les tests, effectués sur deux lignées de macrophages montrent que les nanoparticules sont internalisées très rapidement et que la matrice polysaccharidique semble se dégrader, permettant le relargage du chélateur DTPMP au niveau des sites de rétention du Pu(IV). Cette thèse constitue un travail préliminaire au développement d'une nouvelle famille d’agents décorporants plus ciblés pour une contamination au plutonium par inhalation. / The use of plutonium (Pu(IV) for military and civil applications can lead to internal contamination. There are several possible routes of contamination: ingestion, inhalation or injury. In case of plutonium inhalation, the plutonium forms oxide particles that reach the pulmonary alveoli. Through a phagocytosis mechanism, the particles are internalized by the macrophages of the pulmonary epithelium and continue to exert their toxicity. Currently, the only decorporating agent administered in the event of contamination with plutonium is DTPA (diethylenetriaminepentaacetic acid). in France, it is administered as CaNa3-DTPA by intravenous injection. This standard is effective for contamination by ingestion and injury. However, it is not effective in case of contamination by inhalation. Functionalized nanoparticles based on natural polymers constitute an innovative concept for decorporating Pu(IV) solubilized in pulmonary macrophages and open the way for the development of new families of decorporants. We investigated two strategies: chitosan-based nanoparticles functionalized by the DTPMP (diethylenetriaminepentamethylene phosphonic acid) which is the phosphonic analog of DTPA and self-organized chelating β-cyclodextrin-based nanoparticles. This work was first focused on the synthesis and characterization of the nano-objects and then on the study of their complexation abilities with actinides (Th/Pu) using EXAFS spectroscopy. Finally, preliminary in vitro biological tests were carried out. Our obtained results with DTPMP and chitosan based nanoparticles showed that these aggregates exhibit size and stability compatible with the application. Furthermore, we demonstrate their affinity for the actinides(IV) (Th, Pu) is comparable to the reference DTPA. Finally, in vitro tests realized onto macrophages show that our nanoparticles are rapidly internalized through phagocytosis and that the polysaccharide matrix seems to undergo degradation which allows the DTPMP to be released and targeted right into the sequestration sites of Pu(IV). This work constitutes a first step in the development of new family of decorporating agents with a higher efficiency in case of plutonium contamination through inhalation.

Ce travail de thèse a consisté à synthétiser de nouveaux chélateurs pour la complexation des ions métalliques d10 toxiques en milieu biologique, comme le cuivre (I), lorsqu'il est présent en excès dans les cellules, et le mercure (II), délétère à l'état de traces. En particulier, des tripodes à trois soufres, inspirés de tripodes fonctionnalisés par trois dérivés cystéine, développés antérieurement au laboratoire, ont été élaborés et leur propriétés de complexation avec le cuivre (I) ont été examinées. Comme les tripodes cystéines, les nouveaux tripodes fonctionnalisés par d'autres dérivés soufrés, en particulier des dérivés de D-Pénicillamine (D-PEN), sont capables de complexer le cuivre (I) dans des environnements CuS3 avec de fortes affinités et sélectivités par rapport au zinc (II) présent dans les milieux biologiques. Des études structurales approfondies effectuées par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) ont permis de caractériser complètement les complexes et clusters de cuivre (I) formés, de corréler les mesures d'affinités effectuées en utilisant différentes techniques et de rationaliser les relations structure/ affinité observées. L'un des nouveaux tripodes a ensuite été fonctionnalisé pour être ciblé vers les cellules du foie, où une accumulation de cuivre est observée chez les patients atteints de la maladie de Wilson. Les premiers tests biologiques réalisés sur des cellules hépatiques ont montré que l'architecture fonctionnalisée ainsi conçue (CHEL4) est capable de complexer le cuivre (I) en excès in cellulo. Cette étude conforte les résultats obtenus antérieurement au laboratoire avec le tripode cystéine fonctionnalisé (CHEL2) et valide donc le système de vectorisation vers les hépatocytes. Les propriétés de complexation des nouveaux tripodes avec l'ion toxique mercure (II), plus gros et plus mou que l'ion cuivre (I), ont aussi été étudiées. Il a ainsi été établi que les nouveaux tripodes thiolates peuvent aussi stabiliser un environnement trigonal autour du mercure (II). Notre étude a donc montré comment des tripodes soufrés de faible poids moléculaire, judicieusement fonctionnalisés, peuvent accommoder des environnements trigonaux très stables autour des ions mous cuivre (I) et mercure (II). De tels environnements miment plus ou moins les sites trigonaux du cuivre (I) et du mercure (II) trouvés dans les protéines à cuivre (I) (Ctr1, Mac1, Ace 1, COX…), les protéines bactériennes de détoxification du mercure (II) (Mer-R), et les métallothionéines (MTs), petites protéines riches en cystéines qui complexent les ions métalliques en excès ou toxiques dans les cellules. Ces analogies avec les complexes métalliques biologiques permettent de rationnaliser les fortes affinités des nouveaux tripodes pour les ions mous cuivre (I) et mercure (II). Plus généralement, notre étude apporte des règles de design moléculaires pour concevoir des architectures efficaces dédiées à la détoxification des métaux mous en milieu biologiques. Mots clés : cuivre (I), zinc (II), mercure (II), maladie de Wilson, foie, surcharges métalliques, toxicité, chélateurs, tripodes soufrés, cystéine, D-pénicillamine (D-PEN), environnements trigonaux, protéines du cuivre (I), métallothionéines (MTs), Mer-R, Spectroscopie d'Absorption des rayons X (XAS). / This work consisted in the syntheses of new chelators for the binding of soft d10 metal ions in biological media, such as the copper (I) ion, toxic at high levels in the cells, and the mercury (II) ion, deleterious even at low concentrations. In particular, new suphur-based tripodal architectures, derived from the cysteine-based architectures previously designed at the laboratory, have been synthetized and their binding properties with the copper (I) ion have been looked into. As the cysteine-based scaffolds, the new chelators, based on new sulphur compounds, in particular D-Penicillamine (D-PEN) derivatives, complex the copper (I) ion in trigonal CuS3 environments with high affinities and high selectivities with respect to the bioavailable zinc (II) ion. In depth structural studies have been performed by X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) to fully characterize the copper (I) complexes and the copper (I) clusters formed in solution, to correlate the affinity measurements performed using different analytical techniques and to rationalize structure/ affinity relationships. One of the new chelators has been functionalized to be targeted to the liver cells, where copper (I) overloads are observed when people suffer from the Wilson's disease. The first biological experiments carried out in hepatocytes, have shown that the functionalized chelator (CHEL4) complexes excess copper (I) in cellulo. This study supports the results previously obtained with the functionalized cysteine-based architecture (CHEL2) and thus validates the targeting system. The binding properties of the new tripodal architectures with the mercury (II) ion, bulkier and softer than the copper (I) ion, have also been studied. It has been established that the new chelators also stabilize trigonal environments around the mercury (II) ion. Thus this study has shown how low molecular weight sulphur-based tripodal architectures, judiciously functionalized, are able to adapt stable sulphur-only trigonal environments around the soft metal ions, copper (I) and mercury (II). Such environments reproduce more or less the trigonal binding sites found in copper (I) proteins (Crt1, Mac1, Ace1, COX…), bacteria proteins dedicated to mercury (II) detoxification (Mer-R) and metallothioneins (MTs), which are small cysteine-rich proteins in charge of the detoxification of toxic metal ions in cells. Those structural analogies shared with the biological metallic complexes allow us to rationalize the high affinities of the new tripodal architectures for soft metal ions. In a more extended point of view, this study brings some guidelines of molecular design to elaborate efficient chelators dedicated to the detoxification of soft metal ion in biological media. Keywords: copper (I), zinc (II), mercury (II), Wilson's disease, liver, metal overloads, toxicity, chelators, sulphur-based tripods, cysteine, D-penicillamine (D-PEN), trigonal environments, copper (I) proteins, metallothioneins, Mer-R, X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS).