Le développement de nouveaux systèmes pour la délivrance locale et contrôlée de principes actifs (PA) peut avoir plusieurs intérêts : augmenter la biodisponibilité du PA, délivrer une forte dose prolongée en limitant les effets secondaires, et améliorer le confort du patient. Pour développer ces nouveaux systèmes de délivrance, des matériaux composites ont été élaborés. Ces matériaux sont constitués d’une matrice hydrogel intégrant des nanoparticules lipidiques (LNPs) capables de solubiliser un principe actif hydrophobe. Cette double encapsulation a pour but de solubiliser puis de délivrer un principe actif hydrophobe qui ne pourrait pas être encapsulé directement dans la matrice hydrophile, et de retarder sa libération en créant des interactions particules/polymères. Nous avons élaboré différents matériaux en sélectionnant 2 polysaccharides largement utilisés pour des applications biomédicales : la carboxyméthylcellulose (CMC) et le chitosane (CS). Ces 2 polymères ont été mélangés à du poly(éthylène glycol) (PEG), un polymère synthétique flexible, pour augmenter les possibilités de moduler la structure et les propriétés mécaniques de la matrice. Ces hydrogels hybrides de CMC/PEG ou CS/PEG réticulés chimiquement par chimies clics, ont été proposés sous forme d’hydrogel en volume, de films ou d’éponges. Après un travail sur le développement et la caractérisation de ces nouvelles matrices hydrogels, les propriétés des matériaux composites polysaccharides/LNPs ont été évaluées et corrélées à la diffusion des particules dans le réseau hydrogel. / Due to their high biocompatibility, macroscale hydrogels have been studied as promising materials for the design of drug delivery systems (DDS). Such systems devoted to the local administration and prolonged drug release can improve the efficacy of pharmaceutical coumpounds while limiting undesired side-effects. Hydrogels present a high water content and soft consistency with mechanical properties that can match those of biological tissues. Nevertheless, these systems are essentially limited to the delivery of hydrophilic drugs. Our approach for extended release of hydrophobic drugs is to design composite materials composed of lipid nanoparticles (LNPs) entrapped within polysaccharide hydrogels. We selected two polysaccharides which are currently used in pharmaceutical and biomedical applications: carboxymethylcellulose (CMC) and chitosan (CS). We also used poly(ethylene glycol) (PEG) as a plasticizer to tune the matrix mechanical properties. Three types of LNP-loaded hybrid materials were studied; i) bulk CMC/PEG hydrogels, ii) CS/PEG films, and iii) CS/PEG sponges. These materials were chemically crosslinked through attractive click reactions. LNPs were successfully entrapped within the three materials without affecting their properties. A deeper study was conducted with the CMC/PEG composite hydrogel. The LNP release profiles were correlated with the network structure and particles properties. The different materials appear promising systems for the time-controlled delivery of therapeutics.

L’auto-assemblage de copolymères à blocs amphiphiles est un outil puissant de la chimie supramoléculaire pour la conception de nano-objets complexes et fonctionnels. Dans ces travaux de thèse, l’étude approfondie d’un copolymère à blocs « hybride » synthétique-b-peptidique poly(triméthylène carbonate)-b-poly(acide glutamique) pour des applications de vectorisation a été menée. Des morphologies vésiculaires, obtenues par auto-assemblage en voie « co-solvant » et présentant une grande stabilité ainsi qu’un caractère stimulable ont été mises en évidence. Une transition inédite en température, par des phénomènes de fusion et de fission, a pu être observée. L’encapsulation dans ces vésicules polymères d’un principe actif anti-tumoral et de nanoparticules magnétiques, à des taux très élevés, permet d’améliorer le contraste en IRM ainsi que de moduler la libération de la molécule par une variation des paramètres environnementaux (pH, T) ou par un effet d’hyperthermie magnétique. / Block copolymer self-assembly is a powerful tool within supramolecular chemistry to design smart and functional nano-objects. In this thesis work, comprehensive study of hybrid poly(trimethylene carbonate)-b-poly(glutamic acid) block copolymers for drug delivery applications has been conducted. Highly stable vesicular morphologies presenting stimuli-responsive behaviour were prepared using a solvent-injection method. In particular, original temperature responsiveness mediated by fusion and fission events has been evidenced. Dual loading of an anticancer drug and superparamagnetic nanoparticles in these vesicles, at very high loading contents, allows enhancing MRI contrast and controlling drug release kinetics by varying environmental conditions (pH, T) or by using a magnetic hyperthermia effect.

Cette étude concerne le développement de nanoparticules hybrides offrant de nouvelles stratégies pour la thérapie et le diagnostic médical. Elles sont constituées d’un cœur magnétique jouant le rôle d’agent de contraste pour l’IRM et d’inducteur de chaleur par hyperthermie, d’une couronne de polymère thermosensible permettant d’encapsuler des principes actifs et de peptides de reconnaissance biologique. Une grande partie de l’étude a consisté à étudier les processus d'adsorption de copolymères poly(éther)-b-poly(L-lysine) de composition variable sur les particules magnétiques et à comprendre le rôle de la conformation des chaînes polymère à la surface des particules sur la stabilité des colloïdes en milieu physiologique. Un agent antitumoral a été encapsulé puis libéré de façon contrôlée sous l’effet d’un champ magnétique alternatif en exploitant le caractère thermosensible des blocs polyéthers. Des séquences peptidiques ciblant les zones d’inflammation de la barrière hémato-encéphalique ont été greffées sur les copolymères. L’efficacité du ciblage a été validée par IRM et fluorescence sur un modèle animal démontrant ainsi la multifonctionnalité des nanoparticules. / This work deals with the development of hybrid nanoparticles that could offer new strategies for therapy and diagnostic. These are based on a magnetic core which can play the role of contrast agent for MRI as well as heat inductor in AC magnetic field. This inorganic core is surrounded by a thermo-responsive polymeric brush that controls the loading and the release of drugs, and can be functionalized by specific ligands ensuring the targeting specificity. A large part of this work consists in studying the adsorption mechanism of poly(ether)-b-poly(L-lysine) based block copolymers onto magnetic particle and to better understand the influence of the polymer chain conformation at particles surface on the colloidal stability under physiological conditions. An anticancer drug has been loaded and released in a controlled manner under alternative magnetic field by taking advantage from the thermosensitivity of the polyether block. Targeting peptides specific of inflammation sites at the blood brain barrier have been grafted onto copolymers. The targeting specificity has been demonstrated by MRI and fluorescence imaging in rats attesting the multifunctionality of such nanoparticles.

Le but de ce travail de thèse a été de synthétiser de nouveaux nano-objets pour le diagnostic et le traitement du cancer. Ainsi, nous avons développé des nanoparticules hybrides constituées d'un noyau inorganique recouvert d'une couche organique de sérum albumine humaine (HSA). Le noyau inorganique est un composite constitué d'un cœur d'oxyde de fer (IO) et d'une coquille de silice mésoporeuse (MS). L’IO permet, grâce à ses propriétés magnétiques, le diagnostic par imagerie par résonance magnétique (IRM) et la thérapie par hyperthermie magnétique (HM), tandis que les porosités de la MS permettent l’encapsulation de médicaments pour la chimiothérapie. La taille des pores de la coquille MS a été modulée afin d’augmenter le taux d’encapsulation en médicament et la taille du cœur d’IO a été ajustée pour améliorer les propriétés d’HM et d'IRM. L'utilisation d’un revêtement final d’HSA en tant que gatekeeper pour la délivrance de médicaments contrôlée par action enzymatique a également été étudiée. En parallèle, des nanocapsules d’HSA chargées en médicament ont été synthétisées. Enfin, les activités biologiques de ces nanoparticules ont été testées sur différentes lignées cellulaires cancéreuses. / The aim of this PhD work was to synthesize and test new nano-objects for the diagnosis and treatment of cancer. For this purpose, we developed hybrid nanoparticles made of an inorganic core surrounded by a human serum albumin (HSA) organic coating. The inorganic core is a composite by itself as it is made of an iron oxide core (IO) surrounded by a mesoporous silica (MS) shell. The IO core ensures, through its magnetic properties, diagnosis by magnetic resonance imaging (MRI) and therapy by magnetic hyperthermia, whereas the MS shell allows the loading of anticancer drugs for chemotherapy within its porosities. The pore sizes of the silica shell were modulated to enhance the drug loading content and the IO core size was also tuned to improve magnetic hyperthermia as well as T2 MRI imaging properties of the final core-shell system. The use of a thick shell of HSA as gatekeeper for controlled drug delivery triggered by its degradation with proteases was also studied. In parallel the synthesis of drug loaded HSA nanocapsules using MS as sacrificial template was performed. Finally, the biological activities of these nanoparticles were tested on various cancer cell lines.