Les agents pharmacologiques ciblant la dynamique des microtubules (MTs) sont très utilisés en chimiothérapie des cancers agressifs. Le paclitaxel (PTX) est utilisé depuis des décennies et donne de bons résultats pour le traitement des tumeurs solides. Plusieurs inconvénients, notamment ses effets secondaires et la résistance de certains cancers limitent cependant l'efficacité de ce médicament. Dans le but d'identifier de nouveaux composés pharmacologiques qui sensibilisent les cellules au PTX, nous avons recherché, parmi une collection de 8000 molécules, celles capables de sensibiliser des cellules cancéreuses à une dose non toxique de PTX. Nous avons ainsi sélectionné un composé de la famille des carbazoles : Carba1. Dans les cellules, l’association carba1/PTX a un effet cytotoxique supérieur à la somme des effets de carba1 et de PTX, quand ces molécules sont appliquées séparément, indiquant un effet synergique. De plus, des analyses approfondies de différents phénotypes ont permis de montrer que l'administration de carba1 avait pour conséquence d'amplifier des effets du PTX.À fortes doses, carba1 entraine un blocage des cellules en prométaphase mais n’altère pas le réseau microtubulaire, ni en interphase ni en mitose. En revanche, in vitro, carba1 cible la tubuline en se fixant sur le site colchicine, provoquant un retard et une diminution de la polymérisation des MTs. En plus de la tubuline, des études génétiques réalisées sur la levure suggèrent que carba1 a d'autres cibles dont CENP-E, kinésine essentielle à l’alignement des chromosomes au cours de la mitose.Des études menées sur un modèle de cancer mammaire murin agressif (allogreffes) ont révélé que carba1 seul et carba1/PTX ne présentaient aucune toxicité. De plus, les effets anti-tumoraux et anti-métastatiques de la combinaison carba1/PTX sur ces modèles se sont montrés encourageants, bien que des mises au point, notamment sur la posologie sont encore à prévoir. Carba1 est une molécule nouvelle, avec des applications jusque-là inconnues. C’est pourquoi une déclaration d’invention, en vue d'un dépôt de brevet, a été soumise au CNRS. / Microtubules (MTs) targeting agents are a powerful weapon in the war against aggressive cancers. Paclitaxel (PTX) has been used successfully for the treatment of solid tumors for decades. Several features, including side-effects and resistance of some cancers make this drug not always effective. With the aim to identify new chemical compounds that sensitize cells to paclitaxel we screened a library of 8,000 compounds, to select those not toxic for cell cultures when applied alone, that become toxic when applied in combination with a non-toxic dose of paclitaxel. This lead to the selection of a carbazole derivative: carba1. In cells, the carba1/PTX combination has a greater cytotoxic effect than the addition of the effects of each drug assayed separately, indicating a synergistic effect. In addition, in-depth phenotypic analyzes indicate that the administration of carba1 amplify the effects of PTX.High doses of carba1 induce a cell blockade in prometaphase, but do not alter the MT network in interphase or mitosis. In contrast, in vitro, carba1 targets the tubulin colchicine binding site, causing a delay and a decrease in MT polymerization. Genetic studies conducted on yeast indicated other potential additional targets including CENP-E, an essential kinesin for chromosome alignment during mitosis.Studies conducted on a preclinical mouse model of aggressive breast cancer (orthotopic grafts) revealed that carba1 alone and carba1/PTX showed no toxicity. In addition, the anti-tumor and anti-metastatic effects of the carba1/PTX combination on these models have been encouraging, but an optimization of the posology is still needed. Carba1 is a new molecule, with previously unknown applications. This is why a declaration of invention, with a view to filing a patent, has been submitted to the CNRS.

Les carcinomes mammaires invasifs sont des tumeurs solides, au sein desquelles le fort pouvoir de prolifération des cellules cancéreuses entraîne la formation de zones hypoxiques. Les mécanismes cellulaires d’adaptation à la diminution des apports en oxygène sont principalement déterminés par des facteurs de transcription hétérodimériques induits par l’hypoxie (HIF-1 et HIF-2, hypoxia inducible factor). Le monomère alpha de ces complexes est déstabilisé en situation de normoxie. Les récepteurs aux facteurs de croissance épidermique (EGFR) peuvent également augmenter la traduction de l’ARNm codant ces monomères indépendamment de l’oxygène. La première partie de la thèse repose sur le développement de deux clones cellulaires fluorescents stables et inductibles par l’hypoxie, à partir d’une lignée de carcinome mammaire invasif triple négatif surexprimant le récepteur EGFR (MDA- MB-231). Le modèle CA9-GFP permet de restituer l’activité transcriptionnelle des complexes HIFs et le modèle GFP-P564 traduit la stabilité de leur sous-unité alpha. La fluorescence des deux modèles cellulaires est fortement induite en situation d’hypoxie (1% O2) et en présence d’agents mimétiques de l’hypoxie (cobalt, desferrioxamine et diméthyl-oxalyl glycine). Ces modèles ont ensuite été utilisés pour évaluer l’effet de trois thérapies anti-EGFR sur les voies de réponses à l’hypoxie. Le cétuximab et le lapatinib n’ont aucun effet sur la fluorescence des cellules alors que le géfitinib diminue l’intensité du signal en situation d’hypoxie. Ces différences sont associées à un impact similaire sur la migration et la viabilité cellulaire traduisant ainsi une sensibilité différentielle à ces trois composés anti-EGFR. La deuxième partie de la thèse s’est ensuite orientée vers la quantification par RT-qPCR de 45 gènes inductibles par l’hypoxie et impliqués dans le développement du cancer du sein sur une série rétrospective portant sur 32 exérèses de carcinomes mammaires invasifs précoces. Une analyse comparative des données a été effectuée en fonction des critères anatomo-pathologiques (stade, grade, statut en récepteur HER2, rechute). Une surexpression coordonnée de l’ensemble des gènes est observée dans les tumeurs de haut grade, HER2+ et pour les sujets ayant récidivé. La comparaison des groupes « rechute » versus « non rechute » a permis de sélectionner six marqueurs de référence s’exprimant de manière significative. Elle permet en outre la réalisation d’un algorithme basique de classement des individus en fonction du risque de récidive. Celui-ci a été validé par la construction de courbes de survie (méthode de Kaplan-Meier et test du Mantel-Haenszel). L’utilisation combinée des deux modèles cellulaires fluorescents permet l’identification et la caractérisation dynamique de molécules agissant directement ou indirectement sur les réponses cellulaires à l’hypoxie tumorale. L’analyse de l’expression de gènes connus pour leur profil agressif et régulés par le microenvironnement tumoral, constitue un outil clinique d’aide au pronostic des cancers du sein. / The invasive breast cancers are solid tumors, wherein the proliferation of cells causes the formation of hypoxic zones. Cellular adaptive responses to reduced oxygen concentrations are mainly determined by heterodimeric transcription factors induced by hypoxia (HIF-1 & HIF-2, Hypoxia Inducible Factors). The alpha subunits of HIF are rapidly degraded under normoxic conditions. HIF complexes are also regulated by activation of epidermal growth-factor receptor (EGFR) signaling pathways in an oxygen-independent manner. The first part of this work was to develop stable fluorescent clones for examining responses to hypoxia from a metastatic triple-negative breast cancer cell line overexpressing EGFR (MDA-MB-231). The Ca9-GFP and GFP-P564 cell models allow to assess HIF activity and alpha subunits stability, respectively. In both models, fluorescence signals were strongly increased with hypoxia-mimicking reagents (cobalt, desferrioxamine and dimethyl-oxalyl glycine) and under hypoxia (1% O2). The impact of three EGFR inhibitors on HIF activity and stability was assessed. Cetuximab and lapatinib did not affect the signal induced by hypoxia, whereas gefitinib sharply reduced its intensity in both models. The differential effect of these three EGFR-targeted therapies on hypoxia responses was correlated with a similar impact on viability and cell migration. The second part of this work focused on the relative quantification using qPCR analysis of 45 genes involved in hypoxia responses and in the development of breast cancer, from a retrospective series of 32 tumor samples from patients with early- stage invasive breast cancer. A comparative analysis was performed according to anatomo-pathological criteria (stage, grade, HER2 status, and relapse). A coordinated overexpression of all genes was observed in high-grade and HER2+ tumors and in the group of patients that relapsed. The comparison of gene expression between "relapse" and "no relapse" groups was used to identify six reference markers. It also allowed to develop a basic algorithm to classify patients according to the risk of relapse. This algorithm was validated by constructing survival curves (Kaplan-Meier method and Mantel-Haenszel test). Combined use of two fluorescent cell models allows identification and dynamic characterization of compounds able to directly or indirectly inhibit cellular responses to tumor hypoxia. Analysis of gene expression known for their aggressive character and regulated by the tumor microenvironment is a clinical tool for assessing breast cancer prognosis.

La détection précoce de l’athérosclérose, avant le développement de ses séquellespathologiques, comme l’infarctus du myocarde, l’angine ou l’accident cérébrauxvasculaire(ACV), représente un important défi au niveau de la médecine diagnostiqueactuelle. Malgré les récentes avances technologiques, les maladies cardiovasculairesdemeurent la principale cause de décès dans les pays occidentaux et la détection à unstage plus précoce s’avère nécessaire pour permettre une intervention thérapeutiqueadéquate. Notre étude se concentre sur la détection de l’athérosclérose, plusspécifiquement la vulnérabilité de la plaque, grâce à l’imagerie moléculaire combinée àl’observation pathologique. Afin de prédire la rupture de la plaque, l’imageriemoléculaire a émergé comme outil diagnostique puissant suite au développementcroissant de sondes ayant de l’affinité pour les molécules cibles du processusd’athérosclérose. Comme résultantes, ces molécules sélectives possédant une forteaffinité pour des cibles surexprimées durant le processus de formation de la plaque,comme l’αvβ3 par exemple, devrait représentées des sondes prometteuses pour ladétection de l’athérosclérose.Objectif L’objectif global de notre étude était d’évaluer et de prédire lavulnérabilité de la plaque d’athérome à l’aide de différents marqueurs moléculaires. Leprincipal objectif de notre recherche était d’évaluer la possibilité de détecter précocementla plaque en utilisant une ITOP (integrin targeted optical probe). Cette sonde synthétiquenouvellement développée et ciblant l’intégrine αvβ3 avait déjà démontré une affinité etspécificité particulièrement élevée pour le récepteur de l’αvβ3 dans le cancer. Nousavons également exploré la relation entre cette sonde et l’observation pathologique desplaques d’athéromes sur le modèle animale WHHL et sur des plaques humainesprovenant de différents patients.Procédure et Résultats Les expériences ont été réalisées sur un total de 12 lapinsWatanabe hyperlipidémiques de souche WHHL (Watanabe heritable hyperlipidemic) et 1lapin contrôle NZW (New Zealand White). Premièrement, notre ITOP, marquée avec lafluorescéine isothiocyanate (FITC), a été utilisée pour détecter in vitro et ex vivo laprésence du récepteur de l’αvβ3. La microscopie à fluorescence a révélé un importantmarquage de la plaque d’athérome, lequel était absent dans les tissus provenant des lapinscontrôles NZW. Le marquage a été détecté au niveau de segments de plaques provenantde deux régions distinctes de l’aorte ascendante et descendante dans chaque lapin. Lesignal a été détecté principalement au niveau de l’adventitia et de l’intima proximale desvaisseaux aortiques, correspondant directement à l’expression de l’intégrine αvβ3,déterminée par essai immunochimique avec un anticorps contre l’αvβ3. De plus, uneforte association s’est révélée entre le niveau de marquage de la sonde ciblant l’αvβ3 etl’épaisseur de l’adventitia. Deuxièmement, nous avons évalué notre sonde sur deséchantillons humains affectés par l’athérosclérose et comparé les résultats avec uneévaluation morphologique. Nous avons remarqué la même tendance que chez le lapin, soiun marquage plus important lorsque l’adventitia s’épaissi. Finalement, nous avons testé lasonde sur des artères coronaires provenant d’une autopsie d’un patient affecté par le ADHIESet comparé les résultats avec l’évaluation morphologique de leurs artèrescoronaires. Nous avons trouvé un lien entre la morphologie de la plaque et la prévalenced’anévrysmes coronaires chez ces patients.Conclusion L’expression de l’αvβ3 est reliée à la foi aux processus inflammatoires età la sténose. Notre ITOP à marqué efficacement in vitro le premier type de plaqued’athérome classé comme avancé (type IV) et pouvant produire des manifestationscliniques. En combinaison avec l’imagerie noninvasive détectant la sténose, il pourraits’avéré utile dans la détection de la plaque vulnérable. / Purpose The detection of early atherosclerosis, before the development of its later sequelae of myocardial infarction, angina or stroke, constitutes an important challenge in current diagnostic medicine. Despite all the recent technological advances, cardiovascular disease remains the leading cause of death in the Western World and needs to be detected at an earlier stage to allow for more timely therapeutic intervention. This study is focusing on the detection of atherosclerosis or more specifically plaque vulnerability with the help of molecular imaging and pathological observation. Effectively, to predict plaque rupture, molecular imaging has emerged as a powerful diagnostic tool, consequent to the development of a growing number of new probes with affinity for key molecular targets. As a result, such selective molecule with high affinity for overexpressed target in plaque formation, as αvβ3 integrin, should have promise as a probe for imaging atherosclerosis. With the help of molecular imaging combined with pathological observations, we can better comprehend, predict, and detect plaque vulnerability and rupture. Objectives The overall objective of this study is to evaluate different molecular tools to predict the vulnerability of the atheromatous plaque. The major objective of the research was to investigate the possibility of detecting atherosclerotic plaque by using a newly developed synthetic αvβ3 integrin targeted optical probe (ITOP) showing particularly high affinity and specificity for the αvβ3 receptor. We also investigate the relation between this probe and pathological observation of atherosclerotic plaques from WHHL animal model and different human samples. Procedures and Results For this study, experiments were performed on 12 Watanabe heritable hyperlipidemic (WHHL) rabbits and 1 New Zealand White (NZW) rabbits for control. First, our ITOP labeled with fluorescein isothiocyanate was used for detecting the presence of αvβ3 receptors in vitro and ex vivo on a Watanabe rabbit model. Fluorescence microscopy demonstrated a strong labeling of atherosclerotic plaques, which was absent in tissue from normal NZW rabbits. Segments of plaque accumulation from two distinct regions of ascending and descending aortas were labeled in each rabbit. The signal was found principally in the adventitia and proximal intima of the aortic vessel, corresponding directly to the expression of integrin αvβ3 as determined by antibody assay. Moreover, there was a close association between the level of labeling with the αvβ3 targeted probe and the thickness of the adventitia. Secondly, the ITOP was evaluated on human atherosclerotic samples, and was found to efficiently labeled atherosclerotic plaques. Moreover, we observed the same tendency as in the Watanabe rabbit: the ITOP intensity correlated with the degree of adventitial thickening. Finally, we tested the ITOP on Job's Syndrome coronary arteries, and have been able to detect a plaque corresponding to the first type of advanced atherosclerosis (type IV). We also found a relationship between plaque morphology and predisposition to aneurysms in Job's syndrome. Conclusions αvβ3 expression is related to inflammatory and stenotic processes. Our ITOP can efficiently label in vitro the first type of advanced atherosclerotic plaque. In combination with noninvasive imaging techniques that evaluate stenosis, it has great potential for the detection of vulnerable plaque.

Les lipides « switch » - bascules - appartiennent à la famille des matériaux sensibles à un stimulus. Quand ces lipides bascules sont incorporés aux nanoparticules lipidiques (LNP), ils permettent la délivrance contrôlée grâce à un changement de conformation activé par une baisse de pH. Des expériences précédentes avaient démontré que les LNP bascules ont transfecté le petits ARN interférents (siRNA) in vitro et in vivo, silençant la protéine fluorescente verte (GFP) et la protéine hépatique Facteur VII, respectivement. La double administration de micro ARN (miRNA) et d'agent anticancéreux melphalan a également été réalisée par les LNP bascule sur un modèle de rétinoblastome murin. Ces résultats prometteurs nous ont encouragé à élargir les applications de LNP bascules en tant que vecteur de siRNA. De plus, le mécanisme par lequel les LNP bascules induisent la déstabilisation de la membrane et la libération de matériaux encapsulé au milleu acide reste obscur. La compréhension de ce mécanisme est cruciale pour cerner les avantages et les limites des LNP bascules, pour proposer des futures applications et pour prévenir leur toxicité. Dans ce mémoire, nous avons comme objectif d’évaluer le potentiel des LNP bascules pour le traitement du cancer. Nous avons évalué les LNP bascules comme vecteur de livraison du siRNA ciblant l'une des protéines cancéreuses les plus spécifiques découvertes à ce jour, la survivine. En parallèle, nous avons étudié le comportement biophysique des membranes contenant des lipides bascules dans des vésicules de taille micromètrique. Dans la première étude, nous avons démontré que les LNP bascules ont permis le silençage de la survivine dans une gamme de lignées cellulaires cancéreuses (poumon, cervical, ovaire, sein, côlon, rétinoblastome). Dans les cellules du rétinoblastome humain (Y79), nous avons examiné plusieurs agents cytotoxiques utilisés en clinique quant à leur synergie avec le silençage de la survivine: melphalan, topotécan, téniposide et carboplatine. Le prétraitement avec les LNP chargées de siRNA-survivine a amélioré de manière synergique la cytotoxicité du carboplatine et du melphalan mais dans une moindre mesure celle du topotécan et du téniposide. Cet effet était spécifique aux cellules cancéreuses car les cellules saines (ARPE.19) n'exprimaient pas de survivine. L'inhibition de la survivine par silençage de siRNA s'est révélée plus spécifique et moins dommageable pour les cellules saines (ARPE.19) que le YM155, un inhibiteur moléculaire de la survivine. Dans la deuxième étude, nous avons observé par microscopie confocale que les lipides bascules induisaient rapidement le stress, la fission et une courbure positive dans les membranes des vésicules unilamellaires géantes lorsqu'elles étaient exposées à des conditions acides. La dynamique de la membrane a été confirmée par des expériences de diffusion dynamique de la lumière (DLS) et de fuite de calcéine. Ces phénomènes ont également été observés lorsque des lipides bascules ont été incorporés dans une membrane hybride polymère/lipide, fournissant des propriétés sensibles au pH aux vésicules hybrides. À notre connaissance, c'est la première fois qu'une vésicule hybride sensible au pH est reportée. Nos résultats corroborent l'applicabilité des LNP bascules en tant qu'agents de vectorisation des siRNA pour le traitement du cancer grâce au silençage de la survivine, en particulier comme adjuvant à la chimiothérapie. L'investigation biophysique a révélé que les lipides bascules agissent sur la fluidité de la membrane, en particulier à pH acide. Cette sélectivité en pH garantit leur biocompatibilité à pH neutre ainsi que la libération efficace et rapide de leur cargo à pH acide. La compatibilité avec les vésicules hybrides polymère/lipide ouvre de nouvelles applications au niveau de vésicules biomimétiques et l'administration de médicaments. / Cationic switchable lipids belong to the class of stimuli-responsive materials. When incorporated in lipid nanoparticles (LNP), switchable LNP promote pH-triggered delivery of payload based on a molecular switch mechanism. Previous studies have demonstrated that switchable LNP successfully delivered small interferring RNA (siRNA) in vitro and in vivo, promoting the silencing of a reporter Green Fluorescencen Protein (GFP) protein and liver-produced factor VII, respectively. Dual delivery of micro RNA (miRNA) and anticancer agent melphalan was also achieved through switchable LNP in a retinoblastoma rat model. These promising results encouraged us to enlarge the applications of switchable LNP as siRNA carrier. Moreover, the mechanism whereby switchable LNP mediate acid-triggered membrane destabilization and, thus, payload release remains elusive. Understanding this mechanism is crucial to draw the advantages and limitations of switchable LNP, and to tailor their future applications and prevent their potential toxicity. In this dissertation, we aimed to further understand the potential of switchable LNP for cancer treatment. We assessed switchable LNP as a siRNA delivery carrier by targeting one of the most specific cancer protein discovered to date, survivin. Meanwhile, we investigated the biophysical behavior of switchable-lipid containing membranes in micron-sized vesicles. In the first study, we demonstrated that switchable LNP efficiently silenced survivin in a range of cancer cell line models (lung, cervical, ovary, breast, colon, retinoblastoma). In retinoblastoma (RB) cells (Y79), several clinically used cytotoxic agents were screened for their synergy with survivin silencing: melphalan, topotecan, Teniposide, and carboplatin. Pretreatment with LNP loaded with siRNA targeted against survivin synergistically enhanced the cytotoxicity of carboplatin and melphalan but in lesser extent topotecan and teniposide. This effect was specific to cancer cells since healthy cells (ARPE.19) did not express survivin. Survivin inhibition through siRNA silencing revealed more specific and less damageable for healthy cells (ARPE.19) than a molecular approach, such as YM155. In the second study, we observed by confocal microscopy that switchable lipids rapidly induced stress, fission, and positive curvature in giant unilamellar vesicles’ membranes when submitted to acidic conditions. The membrane dynamics was confirmed by dynamic light scattering and calcein leakage experiments. Remarkably, these phenomena were also observed when switchable lipids were embedded into a hybrid polymer/lipid membrane, providing pH-sensitive properties to hybrid vesicles. To the best of our knowledge, this is the first time a pH-sensitive hybrid vesicle is reported. Our findings corroborate with the applicability of switchable LNP as siRNA delivery agents for cancer treatment through survivin silencing, especially as an adjuvant to chemotherapy. The biophysical investigation revealed that the switchable lipids act on the membrane fluidity, specifically at acidic pH. This pH selectivity guarantees their biocompatibility at neutral pH as well as its efficient and quick release of their cargo at acidic pH. Their compatibility with hybrid polymer/lipid vesicles opens new applications in biomimetic vesicles and drug delivery.