Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Le développement de la thérapie génique dépend des systèmes utilisés pour le transport de gènes vers les cellules eucaryotes. Les systèmes à base de virus sont les plus efficaces. Cependant, il est urgent de trouver une alternative à de tels systèmes viraux pathogènes et oncogènes. Les polymères cationiques sont des vecteurs synthétiques prometteurs ; toutefois, une question cruciale reste en suspens : quelle structure de polymère cationique visée pour une efficacité de transfection élevée et une faible cytotoxicité ? Face à ce questionnement scientifique, de nouveaux polymères cationiques offrant une grande flexibilité en termes de structure et de fonctionnalité sont développés dans cette thèse. Les différents paramètres structuraux pertinents étudiés sont : (i) des entités amines primaire et tertiaire pH-sensibles pour la complexation de l'ADN et pour la libération des polyplexes ADN/polymère, (ii) un groupe alcyne destiné à l’ancragepar chimie click de ligands capables de viser des récepteurs spécifiques de membrane cellulaire pour une reconnaissance efficace des cellules, (iii) des entités polyacrylates à « charge modulable » pour libérer l'ADN et diminuer la cytotoxicité du polymère et (iv) un poly (oxyde d'éthylène) (PEGylation) pour une meilleure stabilité en milieu physiologique et une meilleure biocompatibilté. / The clinical success of gene therapy is really dependent on the development of new efficient gene transfer systems. Viral-based gene transfer systems are remarkably efficient in transfecting body cells. However, viral-based systems raised some concerns in terms of immunogenicity, pathogenicity, and oncogenicity. Cationic polymers are promising candidates as they show low host immunogenicity, are cheaper and easier to produce in a large scale than viral ones. However, a crucial question is still pending: which cationic polymer structures and functionalities give the highest transfection efficiency and the lowest cytotoxicity? In dealing with this scientific issue, new cationic polymers with key structural parameters and functionalities were developped during this PhD thesis. The key structural features studied are : (i) pH sensitive primary and tertiary amine entities for DNA complexation and to ensure the endosomal escape, (ii) an alkyne group to attach ligands capable to target specific cell membrane receptors for an efficient cell recognition and receptor-mediated cellularuptake, (iii) “charge-shifting” amino-based polyacrylates for DNA release and to decrease cytotoxicity and (iv) PEG chains (PEGylation) to achieve high stability, longer circulation in physiological conditions and a better biocompatibility. The synthesis of such multi-structural cationic polymers has been achieved through the combination of RAFT polymerization and thiol-yne click coupling reaction. The structure/complexation and the structure/cells viability relationships have been investigated during this work.

L'objectif de notre travail consiste en la conception de nanoparticules d'or (AuNP) monodisperses, et stables ; puis en l'évaluation de l'effet des propriétés de surface de AuNP sur leur internalisation et leur toxicité dans une lignée cellulaire (macrophages alvéolaires de rat-NR8383). Nous avons synthétisé des NP d'or soit stabilisées par les ions citrate (Au-citrate) soit fonctionnalisées par l'acide dihydrolipoïque (DHLA) (NP Au@DHLA). Nous avons montré que la densité de couverture est un paramètre crucial pour améliorer la stabilité colloïdale des AuNP dans des conditions physiologiques. Nous avons caractérisé complètement les AuNP d'un point de vue physico-chimique, en particulier en développant une méthode de dosage spectrophotocolorimétrique de l'or. Nous avons aussi étudié les effets biologiques des AuNP. Tout d'abord, en absence de cellules, nos résultats révèlent que la fonctionnalisation de surface de AuNP affecte la réactivité avec des biomolécules tels que le glutathion réduit (GSH), le S-nitrosoglutathion, et l'albumine de sérum bovin (les Au-citrate interagissant avec toutes les molécules testées), l'internalisation par les cellules (les Au-citrate sont deux fois plus internalisées) et l'état redox cellulaire (les Au-citrate diminuent de 20% le niveau intracellulaire de GSH) sans relation apparente avec la formation de ROS. En outre, les AuNP ne semblent pas induire l'expression des mRNA associées à la réponse inflammatoire (tnf), au stress oxydant (ncf1) et à l'apoptose (nfkb2), paramètres essentiels pour préserver l'intégrité de la cellule et de l'organisme, et envisager l'utilisation de ces NP comme plateforme pharmaceutique / The aim of our work was to produce highly monodisperse and stable gold nanoparticles (AuNP) with potential for biomedical applications, and to evaluate the effect of AuNP surface properties on their uptake and cytotoxicity in a cultured cell line (rat-alveolar macrophages-NR8383). We synthesized AuNP either stabilized with citrate (Au-citratte) or capped with a dithiol, i.e. dihydrolipoic acid (Au@DHLA NP). The present study shows that the surface packing density is a crucial parameter to enhance the colloidal stability of AuNP in physiological conditions. We fully characterized the considered AuNP from a physico-chemical point of view. Indeed, we optimized a spectrocolorimetric and a HPLC method to evaluate the properties of AuNP. We studied the biological effects of AuNP. Under cell-free conditions, our results reveal that AuNP coating affects their reactivity with biomolecules, i.e. reduced glutathione (GSH), S-nitrosoglutathione and bovine serum albumin (Au-citrate interact with all molecules), the cellular uptake (Au-citrate are two times more effective) and redox status (Au-citrate decrease the intracellular GSH level by ca 20%) with no apparent relationship with ROS formation. Furthermore, both AuNP appear not to induce mRNA expression related to inflammatory response (tnfa), oxidative stress (ncf1) and apoptosis (nfkb2), parameters of main importance to preserve cellular integrity and body safety, and to assure pharmaceutical platform function

Les cellules Natural Killer (NK) sont capables de lyser les cellules tumorales sans la nécessité de reconnaitre un antigène tumoral spécifique. Cette propriété leur confère un avantage par rapport aux lymphocytes T et les rend intéressantes à utiliser en tant que cellules effectrices pour l’immunothérapie adoptive. A ce jour, le potentiel thérapeutique des cellules NK n’a pas été complétement exploré notamment dans le contexte du traitement de la rechute post-allogreffe de cellules souches hématopoïétiques. Actuellement, les patients en rechute post-greffe sont traités avec des injections de lymphocytes du donneur (DLI) parfois issues de petites fractions du greffon de cellules souches hématopoïétiques congelées. Les cellules souches périphériques étant fréquemment utilisées comme source de cellules souches et parfois utilisées comme DLI, nous avons souhaité évaluer l’impact du G-CSF sur le phénotype et les fonctions des cellules NK présentes dans ces fractions. Dans cet objectif, nous avons comparé différentes sources de cellules NK isolées à partir de sang de donneurs sains, de sang mobilisé de donneurs sains ou de patients et observé l’évolution des différentes sous-populations de cellules NK issues de ces prélèvements au décours d’une expansion en présence d’IL-15. Nos résultats ont montré que l’administration de G-CSF diminuait la proportion de cellules NK CD56brightCD16+ au profit d’une population CD16-, diminuait la prolifération des cellules NK lors de l’expansion en culture, et modifiait les propriétés fonctionnelles des cellules NK. / The ability of natural killer (NK) cells to kill tumor cells without the need to recognize a tumor-specific antigen provides advantages over T cells and makes them appealing for a use as effectors for adoptive immunotherapy. However, the full therapeutic potential of NK cell-based immunotherapy has not been fully investigated in the context of leukemic relapse after hematopoietic stem cell transplantation. Today, patients relapsing after hematopoietic stem cell transplantation are often treated with donor lymphocyte infusion (DLI) based on small cell fractions frozen at the time of the stem cell transplantation. Since peripheral blood stem cells are increasingly used as stem cell source and as source of cells for DLI, we aimed to evaluate the impact of G-SCF mobilization on NK cell phenotype and functions. Therefore, we compared the expansion capacity, the phenotype and the function of NK cells from blood for healthy donors, from allogeneic HSCT healthy donors or from autologous HSCT from patients. We also determine the impact of G-CSF on NK cell subset repartition before and after expansion in presence of IL-15. Our results showed that G-CSF administration to patients decreases CD56brightCD16+ NK cell population, proliferation and function. Overcoming this impairment in lymphoid capacity may be important to facilitate post-transplant immunotherapy.

Le développement d'un vaccin anti-paludique est limité par notre connaissance incomplète des effecteurs agissant contre P.falciparum. Nous avons mis en évidence que les cellules T Vγ9Vδ2 sont activées par la forme intra-érythrocytaire (schizonte) et par les phosphoantigènes de P.falciparum, et peuvent inhiber la croissance du parasite in vitro par un mécanisme dépendant de la granulysine ciblant la forme invasive du parasite (mérozoïte). Ces résultats suggérent que les lymphocytes T Vγ9Vδ2 jouent un rôle dans le contrôle précoce de la charge parasitaire. Cependant, le mécanisme médiant l’interaction entre les schizontes, les mérozoïtes les cellules T Vγ9Vδ2 et reste élusif. L'objectif de cette thèse est d’étudier les interactions entre les stades sanguins de P. falciparum et les cellules T Vγ9Vδ2, afin de mieux comprendre leurs activités anti-parasitaires, dans le but à long terme d’une utilisation clinique. Dans ce travail, nous étudions l'importance du contact direct avec les parasites dans l’activation et les activités anti-parasitaires des cellules T Vγ9Vδ2, par des approches de microscopie confocale et de cytométrie en flux. Nous suggérons que les cellules T Vγ9Vδ2 forment peu ou pas de contacts avec les mérozoïtes, et très peu de contacts avec le schizonte. De plus, nous montrons que, contrairement à une lignée cellulaire tumorale cible (Daudi), le contact avec les schizontes n'affecte pas l'activation des cellules T Vγ9Vδ2, suggérant que les phosphoantigenes du parasite sont libérés dans le milieu. Nous démontrons que les phosphoantigènes produits par la voie DOXP sont probablement libérés par un processus actif, dépendant des new permeation pathways (NPP). Ensembles, ces résultats suggèrent que l'activation et l'activité antiparasitaire des cellules T Vγ9Vδ2 n’est pas dépendante du contact, mais est médié par des facteurs solubles. / The limited knowledge of immune effector against Plasmodium falciparum precludes the development of a malaria efficient vaccine. We have recently evidenced that Vγ9Vδ2 T cells act as a new immune effector early in malaria infection. These cells are activated by the mature intraerythrocytic form (schizont) and by parasite-derived antigens (phosphoantigens). After activation, they inhibit in vitro parasite growth by targeting the extraerythrocytic invasive form (merozoite), by a granulysin-dependent mechanism. However, the mechanism by which Vγ9Vδ2 T cells are activated by schizonts and target merozoites remains elusive. The aim of this PhD project is to describe the interactions between P.falciparum blood stages and γδ T cells, in order to better understand their anti-parasitic activities and in the long term goal to manipulate these cells to prevent malaria. In the work, we investigate the importance of cell to parasite contact in Vγ9Vδ2 T cell activation and anti-parasitic activity by time-lapse and fixed confocal imaging, and cytometry. We suggest that Vγ9Vδ2 T cells form little or no contacts with merozoites, and very few contacts with the mature intraerythrocytic (schizont) form of the parasite. Moreover, we show that cytotoxic activities are elicited by schizonts, but that contrary to a known tumor cell line (Daudi cells), contact has no effect on the level of activation, suggesting that parasite-derived phosphoantigens are secreted in the microenvironment. We pursue the characterization of the parasite-derived phosphoantigens and demonstrate that they are produced by the DOXP pathway. Lastly, we show that phosphoantigens are most likely released by an active process, dependent on the new permeation pathways. Altogether, these results shed light on an unconventional mode of activation by P.falciparum blood stages and antiparasitic activity of Vγ9Vδ2 T cells, which is not contact-dependent, but rather is mediated by soluble factors.

Le mode d’action des traitements médicaux fait généralement intervenir des interactions entre une (des) molécule(s) et une (des) cible(s) protéique(s) de l’organisme. Au sein de notre équipe, le choix s’est porté vers l’APN, protéine connue depuis les années 2000, pour être impliquée dans les processus d’angiogenèse i.e. la formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir de vaisseaux préexistants, et de migration cellulaire. Compte tenu de la pertinence thérapeutique des fonctions de l’APN et de leur validation lors d’études in vivo, la conception de voies de synthèse simples et efficaces menant à l’inhibiteur le plus puissant et sélectif de l’APN est devenu un des objectifs premier du laboratoire : 3 voies de synthèses sont décrites. Par ailleurs, notre laboratoire s’est intéressé à une nouvelle classe de composés comportant un groupement ferrocényle. En effet, les composés organométalliques suscitent un intérêt grandissant dans le développement de thérapies anticancéreuse ou encore les maladies tropicales. Ses possibilités réactionnelles étendues combinées à ses remarquables propriétés électrochimiques donnent lieu à des molécules nouvelles aux propriétés biologiques étonnantes. Ayant développé la molécule la plus puissante vis-à-vis de l’APN, ses impressionnantes propriétés inhibitrices peuvent être exaltées en créant des molécules à activité duale : inhibitrice de l’APN et cytotoxique vis-à-vis des cellules tumorales. La synthèse de ces composés hybrides ainsi que l’évaluation de leurs effets envers deux cibles, l’APN (porcine et d’Escherichia coli) et les cellules HT1080 (cellules de type fibrosarcome exprimant fortement l’APN), sont décrites dans cette thèse. / APN/CD13, a zinc dependent metallo-peptidase ectoenzyme widespread in human tissues is emerging as a new target in cancer therapy. Indeed several studies indicate that APN/CD13 plays an active role in angiogenesis and tumor metastasis. We already prepared a series of (±)-1,4-disubstituted-7-amino-benzocyclohepten-6-ones and discovered the extraordinary inhibitory power of the 1-bromo-4-phenyl derivative (Ki = 60 pM) on mammalian APN/CD13. As recent crystallographic works in collaboration with the Paul Scherrer Institut have revealed that only the (S) enantiomer was efficiently binded to the enzyme active site, we recently developed a new synthetic pathway to prepare this optically pure molecule in benzo-oxepine series. In parallel we prepare analogs equipped with at least one ferrocenyl moiety of potential intrinsic additional cytotoxicity.

Ce travail décrit d'abord l’élaboration de nanogels hydrophiles stimulables, sensibles à un changement de pH et à un environnement où les propriétés d’oxydo-réduction peuvent varier. Ils ont été synthétisés en milieu dilué, d’une part, et en émulsion inverse, d’autre part; dans les deux cas à partir d’un copolymère statistique composé d’unités 2-éthyl-2-oxazoline et éthylène imine. Ces nanogels n’ont pas montré d’interactions spécifiques avec des protéines telles que la BSA et se sont avérés non-toxiques in vitro. Une plateforme à base d’un copolymère POx statistique porteur de fonctions aldéhydes a par ailleurs permis d’accéder à une librairie de POx, incluant des structures greffées et réticulées. Enfin, l’autoassemblage en solution d’un copolymère à blocs de type poly(2-methyl-oxazoline)-bpoly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PMeOx-b-PiPrOx), a été étudié en détail. Des micelles ont été observées à des temps courts au-dessus du point trouble du PiPrOx. Pour des temps plus longs, la formation de fibres et de micelles réticulées physiquement ont été mise en évidence, comportement expliqué par la cristallisation des chainesde PiPrOx stabilisées par les blocs PMeOx hydrophiles. / This PhD work is based on the design of poly(2-oxazoline) (POx)hydrogels and nanogels, by chemical or physical cross-linking, aimed to be used for biomedical applications. Nanogels were first prepared in dilute media and in inverse emulsion based on a statistical copolymer made of 2-ethyl-2-oxazoline and ethyleneimine units. These stimuli-responsive nanogels were swelling in acidic media and were cleaved in reductive environment. They proved to be non-cytotoxic and act as protein repellent. Second, a reactive platform based on a statistical POx polymerbearing aldehyde functionalities was engineered, enabling the synthesis of graft and cross-linked POx. Last, a block copolymer made of 2-methyl- and 2-isopropyl-2-oxazoline units, proved to self-assemble into micelles when heated above its LCST,for a short period of time (< 1h30). When annealed for a longer time (> 1h30),crystallization-driven self-assembly led to the formation of different morphologies(fiber rods and cross-linked micelles).

Ce travail de thèse porte sur l'utilisation des NanoDiamants Photoluminescents (NDPs) pour des applications en bio-imagerie. Les nanodiamants (NDs) sont photoluminescents grâce à la présence de centres colorés azote-lacune (NV) dans leur maille cristalline. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première concerne l'étude des propriétés optiques des centres colorés NV dans des NDs. Après l'optimisation de la concentration des centres NV, nous comparons la photoluminescence des NDPs à celle des nanoparticules semi-conductrices commerciales; nous concluons qu'elle peut être équivalente, même supérieure dans le cas des NDPs. Pour augmenter le contraste d'imagerie intracellulaire des NDPs, nous avons étudié l'excitation à 2-photons des centres NV. Lors de cette étude avec un laser impulsionnel, nous avons découvert que le signal de photoluminescence des NDPs excité à un photon chute très fortement lorsque l'impulsion infrarouge est simultanée de l'excitation visible. Nous avons étudié la façon d'utiliser cet effet pour l'imagerie de super-resolution. La deuxième partie porte sur l'étude des applications des NDPs comme sondes pour la bio-imagerie. Dans le but d'utiliser des NDPs comme véhicules de biomolécules, nous avons étudié leurs mécanismes d'internalisation et avons élucidé leur localisation intracellulaire, en inhibant des voies différentes d'internalisation et par des expériences d'immunofluorescence. De plus, nous avons montré que les NDPs ne sont pas toxiques pour des cellules en culture. Un premier essai de vectorisation a été mené avec de NDPs couverts d'ADN plasmidique.

Le Maroc, avec sa double façade Atlantique et Méditerranéenne, longue de plus de 3500 Km, est un pays profondément influencé par la mer, ce qui implique l'existence de milliers d'espèces marines. Ce mémoire est consacré à la valorisation de deux algues brunes Cystoseira tamariscifolia et Bifurcaria bifurcata de la côte atlantique marocaine (région du Casablanca). Deux applications ont été investiguées : les potentialités pharmacologiques et les applications environnementales. L'étude des potentialités pharmacologiques de ces deux algues marines a été effectuée par le biais de l'étude des activités antibactériennes, antileishmaniens, antitumorales et cytotoxicité. Des métabolites secondaires ont été isolés au cours de cette étude par des techniques analytiques de biodirection, leurs identifications ont été effectuées par les techniques spectroscopiques : UV - visible, Infrarouge et Résonnance Magnétique Nucléaire. L'autre partie de ce mémoire, s'intéresse aux applications environnementales et concerne l'élimination du chrome par des supports préparés à partir de ces deux algues marines. Des études cinétiques et des isothermes d'adsorption ont été réalisées selon des modèles théoriques pour expliquer et mettre au point les processus d'adsorption. L'ensemble des résultats obtenus au cours de cette partie ont montré l'intérêt de l'utilisation de ces supports algaux dans le traitement des eaux polluées.