Une approche prometteuse contre le cancer est le ciblage d’antigènes associés aux tumeurs par des ligands spécifiques couplés à des nanoparticules transportant des agents thérapeutiques ou d’imagerie. Les anticorps sont les molécules de ciblage les plus utilisées, mais présentent des limitations en termes de coûts de production élevés, de complexité structurale et de stabilité limitée. Les Affitins sont des protéines d'affinité hautement stables, dérivées à l'origine de Sac7d, un polypeptide d’archée de la famille de liaison à l'ADN de 7 kDa (Sul7d). Les Affitins montrent une affinité et une spécificité comparables à celles des anticorps, tout en étant thermiquement et chimiquement plus stable, moins coûteuses à produire, plus faciles à remodeler avec une taille 20 fois plus petite. Les nanocapsules lipidiques (LNC) possèdent une grande stabilité et une efficacité élevée pour l'encapsulation des médicaments lipophiles et les protègent de la dégradation rapide. Le ciblage de cellules cancéreuses par des LNC peut réduire de plus la concentration de médicament dans les tissus normaux et réduire la toxicité. Le but du projet est de combiner les avantages des Affitins et des LNC pour amener les médicaments anticancéreux vers les cellules cancéreuses. Le premier objectif a été d'identifier et de caractériser un membre plus court, mais toujours très stable, de la famille Sul7d pour encore améliorer la base moléculaire des Affitins, puis de générer des Affitins qui reconnaissant le biomarqueur EpCAM associé aux cellules tumorales. Le deuxième objectif a été d'attacher les nouvelles Affitins comme ligands d'affinité aux LNC et d'évaluer le ciblage de la tumeur par ces complexes. / A progressive strategy against cancer is the targeting of tumour-associated antigens by specific ligands coupled to nanoparticles, carrying therapeutic or imaging agents. Antibodies are the most widely used targeting molecules, but they possess limitations as high production costs, complex structure and limited stability. Affitins are highly stable engineered affinity proteins, derived originally from Sac7d, an archaeal polypeptide from the 7 kDa DNA-binding family (also known as Sul7d family). These binders show comparable affinity and specificity to those of antibodies, while being thermally and chemically more stable, cheaper to produce, easier to engineer and present a simpler structure and 20-fold smaller size. Lipid nanocapsules (LNCs), prepared by solvent free process, possess great stability and high efficiency for lipophilic drugs encapsulation and protect the drug from rapid degradation. Targeting drug-LNC to cancer cells can further decrease drug concentration in normal tissues and lower the toxicity. The aim of the project is to combine the advantages of Affitins as targeting agents and LNCs as carriers in order to create vehicles for delivering payloads to cancer cells. The first goal of this work was to identify and characterize a shorter member, but still very stable, of the Sul7d family in order to further improve the affinity scaffold, and then to use it for the generation of Affitins, recognizing the tumour-associated Epithelial Cell Adhesion Molecule. The last goal was to attach the new binders as affinity moieties to LNCs and to assess the tumour targeting of these complexes.

Es ADCs (Antibody-Drug Conjugates) correspondent à une nouvelle stratégie thérapeutique anti-tumorale particulièrement prometteuse. Néanmoins, les ADCs actuellement utilisés en clinique sont obtenus par conjugaisons chimiques, resultant en des mixtures hétérogènes impactant négativement leurs pharmacocinétiques et leurs performances in vivo.Récemment, différentes strategies de couplage site-spécifique ont été développées afin de réduire cette hétérogénéité. Dans cette thèse, nous rapportons le développement d’une nouvelle technologie CovIsoLink™ (Covalently Isopeptide Crosslinking) permettant la génération d’ADCs par utilisation de nouveaux peptides glutamine Q-Tag présentant des affinités optimisées par rapport à des peptides disponibles (ZQG, LLQG) pour une enzyme bactérienne la transglutaminase (mTG).La preuve de concept de cette technologie a été réalisée par insertion de ces peptides Q-Tag en C-ter de la région codant pour la chaine lourde des anticorps anti-HER2 (Trastuzumab). Nous avons ainsi pu démontrer la conjugaison homogène et reproductible de différentes drogues sans contamination par des chaines d’anticorps non conjuguées. Nous avons pu montrer que l’immunoréactivité et la capacité d’internalisation de ces ADCs n’étaient pas altérées par la conjugaison et qu’ils présentaient in vitro et in vivo, des propriétés de lyse de cellules tumorales similaires au Trastuzumab emtansine (Kadcyla®), actuellement en clinique. Par ailleurs, afin de généraliser notre technologie à différents formats d’anticorps nous avons générés des fragments Fab et scFv et évalué leur fonctionnalité. Ainsi, nous avons pu prouver que l’utilisation de nouveaux peptides optimisés Q-Tag substrat de la transglutaminase permettait une stratégie de couplage alternative plus homogène par couplage de différentes molécules sans espèce contaminante non couplée / Antibody-drug conjugates (ADCs) are a powerful class of therapeutic agents, demonstrating success in the treatment of several malignancies. The currently approved ADCs are produced by chemical conjugations and exist as heterogeneous mixtures that negatively influence the pharmacokinetics and in vivo performance. Recently many of site-specific conjugation technologies have been developed to reduce heterogeneity and batch-to batch variability. Microbial transglutaminase (mTG) has been demonstrated as efficient tool for site-specific conjugation. In this thesis we report the development CovIsoLink™ (Covalently Isopeptide Crosslinking) technology for the generation of homogenous immunoconjugates using a novel glutamine donor peptides (Q-tag) with improved affinity compared to the known peptides (ZQG, LLQG). As a proof of concept, the peptides sequences were engineered into the heavy chain C-terminal of Trastuzumab antibody. We demonstrated the reproducible and homogeneous conjugation of Q-tagged Trastuzumab with different payloads, without any unconjugated species. The ADCs were evaluated in series of in vitro and in vivo assays. We confirmed that the immunoreactivity and internalisation are not altered by the conjugation. Furthermore similar in vitro and in vivo tumor cell killing potency was demonstrated than Trastuzumab emtansine (Kadcyla®), which is already used in the clinic. Morover we extend our site-specific conjugation technology to antibody fragments (Fab and scFv), evaluating their functionality by conjugation with AlexaFluor488-cadaverine and in antigen binding assays. Thus, using novel glutamine donor peptides, our technology provides an alternative enzymatic conjugation strategy for the engrafment of different payloads resulting in homogeneous batches, without unconjugated species

Le virus West Nile,WNV est responsable de milliers de cas de morbidité et de mortalité chez les oiseaux, les chevaux et l’homme. Le WNV se transmet par des moustiques du genre Culex. Les méthodes entomologiques ne permettent pas l’évaluation individuelle directe du contact hôte/vecteur. 5 protéines salivaires de Culex ont été sélectionnées, produites, et évaluées comme des candidats antigéniques de l'exposition aux piqûres de Culex. Des sérums humains du sud de France exposés à des densités de Culex distinctes et des sérums de chevaux exposés à l'infection par le WNV ont été testés. Une protéine 30kD est reconnue par les chevaux exposés à Culex. Cependant, pas de différence de réponse d’anticorps n’a été observée entre les animaux faiblement et fortement exposés. Concernant les processus physiopathologiques de la maladie causée par le WNV, la cinétique des profils d'expression de protéines de l’hôte dans le cerveau de souris infectées par le WNV, a été étudiée sur des échantillons prélevés avant et après l’apparition des signes cliniques, en utilisant 2D-DIGE et iTRAQ. 148 protéines différentiellement exprimées. Les voies de signalisation altérées au cours de l'infection précoce et tardive ont été identifiées. Les profils protéiques de LCR de patients atteints de WNND et des individus témoins ont été comparés, en utilisant l’approche iTRAQ. 47 protéines ont été trouvées différemment exprimées chez les patients WNND. Un candidat potentiel biomarqueur, la Defensine-alpha1, a été évalué par ELISA sur des échantillons humains de LCR/sérum. Les biomarqueurs putatifs identifiés dans cette étude peuvent être un outil précieux d’évaluation de la mesure de la gravité du WNV. / West Nile Virus,WNV is responsible for thousands of cases of morbidity and mortality in birds, horses and humans. WNV is transmitted mainly by mosquitoes by Culex species, to avian hosts. Entomological methods did not give direct individual evaluation of the host/vector contact. 5 salivary proteins from the Culex genus were selected for a production under recombinant forms for further evaluation as potential antigenic candidates of exposure to Culex bites. Sera from individuals living in south of France exposed to distinct Culex density and sera from horses exposed to WNV infection were tested. The recombinant protein30 kDa was recognized only by horses exposed to Culex. However, no difference of antibody response between low and high exposed to Culex. Concerning the pathophysiological processes of WNV disease, a kinetics host brain protein expression profiles of WNV-infected mice using samples collected prior and after clinical signs apparition was performed using proteomic approaches 2D-DIGE and iTRAQ. 148 distinct proteins was found altered following WNV infections. The functional signaling networks in samples collected during early and late infection have been identified. Un examination of CSF protein profiles between patients with neuroinvasive disease (WNND) and control individuals was performed using iTRAQ approach. 47 proteins were found differentially expressed in WNND patients compared to controls. A potential biomarker candidates, defensin-alpha1 was assessed by ELISA using other human paired CSF/serum samples. The putative biomarker identified in this study may potentially be a valuable tool in the assessment of the extent of WNV severity.

Dans les cellules des eucaryotes, la transcription des gènes est contrôlée par une pléthore de complexes protéiniques. Cependant, la plupart de nos connaissances fondamentales sur la régulation de la transcription viennent des expériences biochimiques ou des expériences d’immunofluorescences utilisant des cellules fixées. Par conséquent, beaucoup d’efforts ont été consacré récemment pour obtenir des informations sur les mouvements dynamiques ou sur l’assemblage des facteurs de transcription directement dans des cellules vivantes. Nous avons développé une stratégie de marquage, appelé « versatile antibody-based imaging approach » (VANIMA), dans laquelle des anticorps marqués avec un fluorochrome sont introduit dans des cellules vivantes pour visualiser spécifiquement des protéines endogènes ou des modifications post-traductionnelle. Nous avons pu montrer que VANIMA peut être utilisé pour étudier des processus dynamique des mécanismes fondamental de la biologie y compris les facteurs de la machinerie de transcription ainsi que les modifications des histones dans des cellules vivantes de cancer humaine en utilisant la microscopie conventionnelle ou à super-résolution. Dans l’avenir VANIMA va servir comme un outil valable pour révéler les dynamiques des processus endogènes en biologie y compris la transcription directement dans des cellules vivantes individuelles. / In eukaryotic cells, gene transcription is controlled by a plethora of protein complexes. However, most of our basic knowledge about transcription regulation originate from biochemical experiments or immunofluorescence experiments using fixed cells. Consequently, many efforts have been devoted recently to obtain information about the dynamic movements or assembly of transcription factors directly from living cells. Therefore, we developed a labeling strategy, named versatile antibody-based imaging approach (VANIMA), in which fluorescently labeled antibodies are introduced into living cells to image specific endogenous proteins or posttranslational modifications. We were able to show that VANIMA can be used to study dynamical processes of fundamental biological mechanisms including factors of the transcription machinery as well as histone modifications in living human cancer cells using conventional or super-resolution microscopy. Hence, in the future VANIMA will serve as a valuable tool to uncover the dynamics of endogenous biological processes including transcription directly in single living cells.

L'athérosclérose, à l’origine de la plupart des maladies cardiovasculaires telles que l'infarctus du myocarde ou l'AVC, est la principale cause de décès dans le monde. Les cliniciens ont donc besoin de techniques d'imagerie fiables pour identifier les patients «vulnérables» porteur d’athérome à haut risque d'occlusion thrombotique. Cette pathologie est une maladie inflammatoire qui implique beaucoup d'acteurs cellulaires et moléculaires, parmi lesquels les cellules endothéliales et immunitaires, les lipoprotéines, les cellules apoptotiques et les plaquettes. L'imagerie moléculaire visant à détecter ces acteurs avant la survenue d'événements cardiovasculaires dramatiques est en plein essor. Des anticorps humains (HuAbs) sélectionnés par phage-display pour reconnaître des biomarqueurs de la pathologies ont ici proposés comme ligands servant à fonctionnaliser des vecteurs pour l'imagerie IRM, de fluorescence ou TEP. Les HuAbs ont été modifiés, en introduisant soit des Cystéines soit un site de reconnaissance pour la Sortase, afin de développer un greffage site-spécifique. Les agents ciblant ont été validés in vitro et ex vivo sur des coupes d'athérome de modèles animaux. Des résultats prometteurs ontété obtenus en injectant dans des souris ApoE-/- l’anticorps antiplaquettaire TEG4, apportant ainsi de nouvelles connaissances sur la biologie de l'athérome et la preuve de concept d'une possible détection des plaques à haut risque riches en plaquettes. Des améliorations sont en cours pour développer des agents de contraste multi-fonctionnalisés avec des HuAbs et permettant de réaliser une imagerie moléculaire multimodale de l'athérosclérose facilement transposable en clinique. / Because cardiovascular diseases are the leading cause of death in the world, providing clinicians with reliable and straightforward imaging techniques to identify "vulnerable" patients from the general population appears like the Holy Grail of the cardiovascular field. Atherosclerosis, identified as the underlying condition for most acute cardiovascular events, is characterized by the constitution of a lipidrich atheroma plaque, driven both by excess cholesterol and inflammation, which eventual rupture triggers clotting into the blood flow. It involves a wealth of cellular and molecular actors, which are so many potential markers for molecular imaging, aiming at deciphering how to warn clinicians about the possible occurrence of myocardial infarction or stroke. Here, human antibodies (HuAbs) selected by phage-display for their recognition of over-expressed biomarkers of the pathology are proposed as targeting ligands. They were further engineered for site-specific grafting, either by introducing Cysteine or Sortase recognition tags, and used to target contrast agents for MRI, fluorescence, or PET imaging. In vitro and ex vivo validation studies were carried out on atheroma sections of animal models. In vivo studies in the ApoE-/- mouse model were realized with the anti-platelet TEG4 HuAb using MRI, which provided insights on the biological relevance and feasibility to detect platelets-rich, high-risk atheroma plaques. The development of contrast agents useful in multi-modality imaging, and multi-functionalized with HuAbs is underway. It should serve as an accurate molecular imaging method for atherosclerosis, further more easily translated into the clinical arena.

Les récepteurs à la vasopressine V1bR et à la sérotonine 5HT3R jouent des rôles physiologiques importants dans la détection des signaux extracellulaires, les mécanismes de transmission nerveuse et diverses pathologies dont le cancer, le diabète et des maladies des SNC et SNP. Mes études avaient pour but de générer ou trouver des modulateurs peptidiques de ces deux récepteurs. Pour le V1bR, j’ai développé plusieurs anticorps de type VHH et les ai caractérisés aux plans biochimique et fonctionnel. L’un de ces VHHs agit comme un agoniste allostérique complet et spécifique du V1bR humain (hV1bR). In vitro ce VHH est capable d’activer les voies de signalisation de l’inositol phosphate et des MAP kinases et d’induire l'internalisation du hV1bR. Dans des îlots pancréatiques surexprimant le hV1bR, il induit une augmentation du Ca2+ intracellulaire et une sécrétion d'insuline. Pour le 5HT3R, j’ai criblé par SPR 31 venins de serpents sur des récepteurs recombinants immobilisés et mis en évidence une interaction à partir d’un de ces venins. Suite à purification par chromatographie liquide et identification par spectrométrie de masse, j’ai identifié une toxine préalablement caractérisée comme une enzyme à activité Ca2+-dépendante. Cette toxine interagit avec les 5HT3R A et AB indépendamment du Ca2+ et avec des valeurs de Kd ≤ 10 nM. L’analyse fonctionnelle par électrophysiologie suggère qu’elle agit comme un PAM de l’activité canal du 5HT3R. Des images de ME en coloration négative montrent la toxine fixée sur le domaine extracellulaire du 5HT3R, à distance du site pour la 5HT. Le VHH et la toxine pourraient être utilisés comme outils pharmacologiques et/ou agents thérapeutiques. / The vasopressin V1bR and serotonin 5HT3R receptors play important physiological roles in the detection of extracellular signals, in the mechanisms for neuronal transmission, and in various pathologies including cancer, diabetes, and CNS and PNS diseases. My studies were aimed at generating or finding peptidic modulators of these two receptors. For the V1bR, I developed several antibodies of the VHH type and characterized them biochemically and functionally. One of these VHHs acts as a complete allosteric agonist specific for the human V1bR (hV1bR). In vitro this VHH is able to activate the signaling pathways of inositol phosphate and MAP kinases and to induce the internalization of hV1bR. In pancreatic islets overexpressing hV1bR, it induces an increase in intracellular Ca2+ and a secretion of insulin. For the 5HT3R, using SPR I screened 31 snake venoms on immobilized recombinant receptors and for one of these venoms, evidenced an interaction. Following purification by liquid chromatography and identification by mass spectrometry, I identified a toxin previously characterized as an enzyme with Ca2+-dependent activity. This toxin interacts with the 5HT3R A and AB independently of Ca2+ and with Kd values ≤ 10 nM. Functional analysis by electrophysiology suggests that it acts as a PAM of the 5HT3R channel activity. Images recorded by negative staining EM show that the toxin binds to the 5HT3R extracellular domain, at a distance from the 5HT binding site. Both this VHH and this toxin could be used as pharmacological tools and / or therapeutic agents.

Dans le but de générer une souris transgénique produisant des anticorps humains, les trois loci humains (HC, LCκ et LCλ) ont été reconstitués sous forme de YAC circulaires. Puis, pour simplifier la manipulation des gènes codant pour la chaîne lourde, quatre vecteurs plasmidiques qui résument l’information génétique contenue dans le locus humain de la chaîne lourde ont été réalisés. La construction HC Minilocus (78 kbp) est donc composée des 13 segments V sélectionnés, de la région D-J synthétisée et des gènes codant pour les parties constantes de type μ, ɣ3 et ɣ1. Trois autres constructions (~22 kbp) ont été dérivées des étapes intermédiaires de clonage. Elles sont basées sur 7 segments V et la région D-J synthétisée. Le HC Microlocus Classic (22 kb) a été obtenu après clonage du gène codant pour la partie constante ɣ1 en 3’ des éléments V, D et J précédemment cités; cette construction code pour des chaînes lourdes d’IgG1 (ɣ1 HC). De la même façon, le HC Microlocus Light (21.5 kb) contient le gène codant pour ɣ1 CH1-, cette construction code donc pour des chaînes lourdes IgG sans domaine CH1 (ɣ1 HC CH1-). Les chaînes lourdes de ce type sont exprimées sans être associées à des chaînes légères, à l’image de ce qui est observé chez les camélidés (Heavy Chain only antibodies). Enfin le HC Microlocus Light shRNA (22 kbp) est une construction basée sur le Microlocus Light à laquelle a été ajoutée une séquence codant pour quatre shRNA (small hairpin RNA) visant à réprimer l’expression d’IgM murin. Ce locus est destiné à être injecté dans des souris natives (wilde type, WT). La fonctionnalité de ces quatre vecteurs a été évaluée par transfection dans la lignée cellulaire 300-19, des lymphocytes pro B d’origine murine pouvant progresser du stade pro B au stade de cellule B mature, lorsqu’elles sont maintenues en culture. Pour les quatre constructions, plusieurs réarrangements DJ et VDJ ont été identifiés, montrant une grande diversité combinatoire et jonctionelle. Par cytométrie en flux (FACS), des chaînes lourdes humaines ont été identifiées dans le cytoplasme et à la surface des cellules transfectées avec les trois constructions intermédiaires. Les cellules exprimant des chaînes lourdes en surface ont été enrichies par FACS. Par la suite, en utilisant des méthodes immuno-enzymatiques (ELISA et ELISPOT), il a été prouvé que les chaines lourdes d’anticorps humains étaient secrétées dans le milieu extracellulaire. La transgénèse avec les constructions HC Microlocus Light et HC Microlocus Light shRNA s’est révélée efficace puisque nous avons obtenu plusieurs animaux transgéniques. Aucune cellule B n’a été détectée dans les souris HC Microlocus Light (background HC KO); alors que cette même construction associée à un shRNA (HC Microlocus Light shRNA) dans une souris transgénique au système immunitaire humoral intact, montre l’expression de chaînes lourdes d’anticorps humains dans le cytoplasme et à la surface des cellules B. La chaine lourde humaine est exprimée en parallèle des immunoglobulines endogènes à la surface des cellules pre-B, ainsi que dans les cellules B immatures et matures. / In order to generate a transgenic mouse producing human antibodies, three human loci (HC, LCκ et LCλ) were reconstituted in the form of circular YAC. Then, to simplify the manipulation of genes encoding the heavy chain, four vectors summarizing the genetic information contained in the human heavy chain locus were designed and cloned. The HC Minilocus (78 kbp) is composed of 13 V segments, a synthetic DJ cluster and the genes encoding the constant parts Cμ, Cɣ3 and Cɣ1. Three other constructions (~22 kbp) were derived from the intermediate cloning steps. They are based on 7 V segments and a DJ region synthesized. The HC Microlocus Classic (22 kbp) was obtained after cloning of the gene encoding the constant part ɣ1 in 3' of the V , D and J elements mentioned above; this construct encodes the heavy chain of IgG1 (ɣ1 HC). The HC Microlocus Light (21.5 kb) contains the gene encoding ɣ1 CH1-, therefore, this construction encodes IgG1 HC without CH1 domain (ɣ1HC CH1-). Such HC are expressed without being associated with light chain (Heavy Chain only antibodies). Finally, the HC Microlocus Light shRNA (22 kb) is based on the HC Microlocus Light to which was added a sequence encoding four shRNA (small hairpin RNA) to repress the murine IgM expression. This locus is designed to be injected into wild type mouse. The functionality of the four reduced human HC constructs was assessed in mouse cells. The 300-19 cell line was used because is a pro-B cell line able to rearrange endogenous or transgenic Ig genes and to express the rearranged genes as Ig proteins. 300-19 cells were transduced with the four reduced human HC constructs and the expression of the transgenic Ig genes was investigated in detail. Indeed, DJ and VDJ rearrangement, recombinatory diversity, junctional diversity, transcription, mRNA maturation, alternative splicing, Ig surface expression and secretion were assessed. The data demonstrated that these constructs undergo editing and processing in murine cells and give rise to a large diversity of human heavy chains. The HC Microlocus Light was injected in HC knock out mouse oocytes and the HC Microlocus Light shRNA (which is exactly identical to the Microlocus Light concerning the antibody gene part) in wild type mouse oocytes. Injection in wild type mice led to human γ1 HC expression, whereas injections in HC KO mice did not show any B cell population reconstitution and consequently no human HC γ1 expression. Transgenic human ɣ1 HC and endogenous mouse IgM are co-expressed at the surface of progenitor-, immature- and mature B cells.